В статье исследуется возможность энергосбережения при использовании активных холодных балок в сочетании с системой вентиляции с двойной рекуперацией тепла. Моделирование осуществлялось на примере здания Tech IV администрации экономического развития штата Нью-Джерси в г. Нью-Брансуик. Это современный комплекс лабораторных, офисных и вспомогательных помещений общей площадью 1858 м2.
По данным Совета по строительству экологически эффективных зданий США, на удовлетворение потребностей нежилых помещений расходуется около 60% вырабатываемой электрической энергии и более 30% добываемых топливных ресурсов. При этом лаборатории потребляют до 10 раз больше энергии по сравнению с офисными зданиями [1], где от 50 до 80% общего энергопотребления составляют нужды отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха. Отчасти это обусловлено повышенными тепловыми нагрузками из-за работы лабораторного оборудования и систем освещения, что требует использования систем охлаждения увеличенной мощности. Кроме того, лабораториям обычно необходимо повышенное количество свежего воздуха. Как правило, в таких помещениях предусмотрена подача 100% свежего воздуха без рециркуляции.
Типоразмер осуществляющих эту подачу установок определяется тремя основными факторами. Во первых, это минимально необходимая кратность воздухообмена. Обычно она составляет от 6 до 10 [2]. Помещения, в которых этот фактор является определяющим, характеризуются как «управляемые по величине воздухообмена». Второй фактор — количество воздуха, требуемое для создания необходимой вытяжки из укрытия и от других устройств. Такие помещения называются «управляемыми по вытяжке». Наконец, третий фактор — расчетное количество воздуха, требуемое для охлаждения при температуре на притоке около 13°С. Это помещения, «управляемые по нагрузке».
Там, где количество приточного воздуха определяется по величине воздухообмена или вытяжке, требуется дополнительный подогрев воздуха во избежание переохлаждения. Необходим он и в помещениях, управляемых по нагрузке, если ее действующее значение ниже пикового, заложенного при проектировании системы.
Системы вентиляции с переменным расходом воздуха (Variable Air Volume system, VAV) могут снизить эффекты, связанные с необходимостью подогрева воздуха. Однако в некоторых случаях снижение расхода воздуха может оказаться недостаточным, и для его подогрева все-таки придется затратить значительное количество энергии.
Охлаждение воздуха до 13°С особенно энергозатратно в летние месяцы при использовании установок со 100% подачей свежего воздуха, поскольку его в этом случае необходимо также и осушить.
В последние годы при проектировании систем обработки воздуха, используемых в составе лабораторных комплексов, начал практиковаться другой подход. Он основан на расчетах минимума потребности в воздухе по величине воздухообмена или по вытяжке для каждого конкретного помещения. Воздух при этом обрабатывается до состояния «нейтрального» [3], то есть охлаждается до температуры несколько ниже комнатной, например до 20°С, и осушается в достаточной степени для поддержания заданной относительной влажности в пределах всего здания. Дополнительное ох-лаждение воздуха в каждом из отдельно взятых помещений производится с помощью местных устройств, например, активных холодных балок.
За счет исключения из уравнения воздушного баланса критериев «управления по нагрузке», общее количество воздуха, подаваемого в здание, может быть сокращено на 25–50% по сравнению с традиционными системами.
Традиционное проектирование | Двойная рекуперация энергии с холодными балками | Сокращение типоразмера системы обработки воздуха | |
---|---|---|---|
NJEDA Tech IV | 33 (м3/ч)/м2 | 16,5 (м3/ч)/м2 | Нет |
12 час-1 | 6 час-1 | ||
Проект X | 47,4 (м3/ч)/м2 | 34,6 (м3/ч)/м2 | 27% |
17,3 час-1 | 12,7 час-1 | ||
Проект Y | 54,8 (м3/ч)/м2 | 36,7 (м3/ч)/м2 | 33% |
20 час-1 | 13,3 час-1 | ||
Проект Z (минимум 8 час-1) | 36,7 (м3/ч)/м2 | 27,5 (м3/ч)/м2 | 25% |
12,9 час-1 | 9,7 час-1 | ||
Проект Z (минимум 5 час-1) | 36,7 (м3/ч)/м2 | 27,5 (м3/ч)/м2 | 35% |
23,8 час-1 | 8,4 час-1 | ||
Проект X; 6500 м 2 лабораторных площадей в северо-восточной части США (Новая Англия). | |||
Проект Y; 5500 м 2 лабораторных площадей в средне-атлантической части США. | |||
Проект Z; 4200 м 2 лабораторных площадей в северо-атлантической части США. | |||
Таблица 1. Сокращение типоразмера систем обработки воздуха |
Рис. 1. Схема холодной балки (активной) |
В таблицу 1 сведены результаты расчетов, иллюстрирующие потенциальные возможности уменьшения типоразмера систем обработки воздуха, используемых в здании Tech IV и трех других лабораторных комплексах подобного типа. Из нее видно, что в здании Tech IV типоразмер системы обработки воздуха уменьшается ровно наполовину. Лабораторные помещения здания являются «управляемыми по нагрузке», что позволяет принять проектное значение кратности воздухообмена равным 6. Необходимое охлаждение осуществляется с использованием холодных балок. Помещения остальных трех комплексов содержат большое количество вытяжных шкафов и являются в этой связи «управляемыми по вытяжке». Они нуждаются в обеспечении более высокой кратности воздухообмена, и, в случае использования холодных балок, сокращение общего количества воздуха, подаваемого в здание, будет не столь значительным.
Таблица показывает, что при подаче «нейтрального воздуха» и использовании холодных балок, кратность воздухообмена во всех четырех зданиях находится в пределах от 6 до 13. В случае же традиционного проектирования ее значения составят от 12 до 20.
Технические характеристики холодных балок
На рис. 1 представлена схема холодной балки. «Нейтральный» воздушный поток, имеющий температуру 20°С, проходя через балку, инжектирует из помещения дополнительное количество воздуха, который поступает через два охлаждаемых водой теплообменника и смешивается с основным потоком. После смешения воздух подается в помещение со скоростью от 0,2 до 0,3 м/с.
Вода в теплообменниках балки имеет температуру 15–16°С, что на 1,5–2°С выше точки росы. Это позволяет избежать конденсации влаги.
Поскольку холодные балки не имеют фильтров, вентиляторов и прочих подвижных частей, в техническом обслуживании они гораздо удобнее фэнкойлов.
Каждая из балок для проекта Tech IV обеспечивает 600 Вт холодильной мощности по явному теплу. Расход воздуха в основном потоке при этом составляет 51 м3/ч при потере статического напора во внутреннем воздушном контуре около 62 Па. Расход охлажденной воды составляет от 0,05 л/с до 0,08 л/с при температуре 15°С и потере напора менее 1,5 м в каждом из боковых теплообменников. Каждая балка имеет по два охлаждаемых водой теплообменника, подключаемых с использованием двухтрубной гидравлической системы. Размеры балок составляют от 2 м до 3 м в длину, 0,6 м в ширину и 178 мм в глубину.
Рис. 4. Типовая картина воздухораспределения |
В типовом лабораторном помещении площадью 9 м 2 при тепловой нагрузке 91,5 Вт/м 2 за счет работы оборудования и 21,5 Вт/м2 за счет освещения (в сумме 113 Вт/м2), оптимальным решением станет использование двух холодных балок длиной по 2 м.
На рис. 2 и 3 представлены схемы движения воздуха и воздушные балансы в типовых лабораторных помещениях при использовании активных холодных балок, к каждой из которых от централизованной системы поступает поток «нейтрального воздуха» в количестве 51 м3/ч.
Вариант, представленный на рис. 2, относится к лаборатории, оборудованной вытяжными шкафами общей производительностью 850 м3/ч. На рис. 3 вытяжные шкафы отсутствуют и воздухообмен осуществляется из расчета кратности равной 6. В обоих вариантах в помещение поступает «нейтральный воздух», распределяемый с помощью соответствующих приточных устройств.
На рис. 4 представлены в плане и разрезе профили скорости воздуха в типовом лабораторном помещении площадью 9 м2. Математическое моделирование было выполнено с использованием программного обеспечения, разработанного фирмой — производителем холодных балок. Подвижность воздуха по периферии помещения находится в пределах 0,25 м/с на уровне потолка. На уровне рабочих столов и в рабочих сечениях вытяжных шкафов ожидается еще большее ее снижение. В соответствии со стандартом Z9.5 ANSI/AIHA «Вентиляция лабораторных помещений», подвижность воздуха в районе расположения вытяжных шкафов не должна превышать половины скорости воздуха, создаваемой в их рабочем сечении. Указанная скорость обычно составляет от 0,41 до 0,51 м/с. То есть, подвижность воздуха находится на уровне предъявляемых требований, но, несмотря на это, желательно ориентировать оси холодных балок и рабочих сечений вытяжных шкафов перпендикулярно друг другу [4]. В рассматриваемом примере влияние подачи «нейтрального воздуха» на подвижность воздуха в помещении не учитывается.
Система с двойной рекуперацией, осуществляющая снабжение «нейтральным воздухом»
На рис. 5 представлена блок-схема установки, спроектированной для здания Tech IV. Температурные параметры определены для наиболее жаркого летнего дня. С целью упрощения в блок-схему включена только одна холодная балка. Эффективность рекуперации энергии иллюстрируется на примере использования теплообменников роторного типа («теплых колес»).Теплый и влажный воздух охлаждается и осушается на первом теплообменнике, осуществляющем рекуперацию как скрытого, так и явного тепла. Дальнейшее охлаждение и осушение обеспечивает охладитель. В летний период он управляется по средней относительной влажности воздуха в здании. Минимальные значения температур на выходе 10°С по сухому термометру и 9,7°С по мокрому. Второй теплообменник осуществляет рекуперацию только явного тепла, производя подогрев предварительно осушенного воздуха, поступающего в «холодную балку», до температуры 20°С.
На рис. 6 представлен режим работы рассматриваемой установки в наиболее холодный зимний день. Предварительный и окончательный нагреватели повышают температуру воздушного потока до заданных значений, обеспечивая при этом защиту теплообменников от обмерзания и восполняя дефицит тепла, возникающий при рекуперации. Охладитель в зимний период отключен. В рассматриваемом режиме второй теплообменник также отключен. Хотя возможен режим, когда включены оба теплообменника, которые распределяют между собой тепловую мощность для достижения максимальной эффективности рекуперации.
Во избежание проблем с переносом загрязнений между лабораторными помещениями, воздух в здании Tech IV удаляется с помощью отдельных вытяжных систем, минуя теплообменники. В результате образуется определенный дисбаланс в рекуператорах тепла, однако потери эффективности здесь невелики. Альтернативным решением могло бы быть удаление воздуха от вытяжных шкафов через роторные теплообменники. Но в этом случае необходим индивидуальный подход к оценке возникающей потенциальной опасности. Из блок-схем на рис. 5 и 6 следует, что «нейтральный воздух» подается в каждую из типовых лабораторий с помощью индивидуальных воздухораспределительных устройств. Необходимый перепад давления поддерживается системой клапанов, устанавливаемых на общей вытяжке, дополнительном потолочном диффузоре и входе основного потока, подводимого к холодной балке.
В здании Tech IV холодные балки используются только для охлаждения. Предполагается, что работа оборудования и систем освещения осуществляется постоянно, исключая возможность переохлаждения лабораторных помещений независимо от времени суток при температуре основного потока «нейтрального воздуха» 20°С. В противном случае могут использоваться калориферы, устанавливаемые перед дополнительными приточными диффузорами.
Модель здания и результаты численного моделирования
В модель здания Tech IV не включены офисы и конференц-залы, в расчет берутся только 3353 м2 внутренних лабораторных помещений. Проектные значения, использованные при определении энергопотребления и производительности системы кондиционирования, составляют максимум 91,5 Вт/м2 тепловых нагрузок за счет работы оборудования и 21,5 Вт/м2 за счет освещения. Сотрудники присутствуют в здании с 7 часов утра до 7 часов вечера. В целях упрощения модели предполагается, что рабочими являются все семь дней недели. Параметры микроклимата летом составляют 24°С при относительной влажности 50%, зимой — 21°С без управления влажностью. Допускается отклонение температуры до 26°С летом и до 18°С — зимой. Для большей реалистичности в процессе моделирования было принято, что в рабочие часы тепловая нагрузка составляет 60% от пиковой, в нерабочие — 10% и что в здании открыто 60% створок вытяжных шкафов.
Система 1 | Система 2 | Система 3 | |
---|---|---|---|
Типовая система VAV (без рекуперации) | Типовая система VAV (одноступенчатая рекуперация с использованием «теплого колеса») | Холодные балки (двойная рекуперация тепла с использованием «теплых колес») | |
Энергия охлаждения (kBtu (кВт-ч)) | 2189,6 (64155) | 1732,4 (50760) | 1552,7 (45494) |
Энергия предварительного подогрева (kBtu (кВт-ч)) | 772,8 (22643) | 73,7 (2150) | 38,5 (1128) |
Энергия (окончательного) нагрева (kBtu (кВт-ч)) | 894,4 (26206) | 894,4 (26206) | 200,0 (5860) |
Общий статический напор (in. (мм)) | 7,8 (198) | 8,4 (213) | 9,0 (229) |
Вентилятор (кВт-ч) | 236,2 | 254,4 | 113,0 |
Холодная балка (kBtu (кВт-ч)) | 805,5 (23601) | 862,5 (25271) | 385,3 (11289) |
Итого: общий расход энергии за год на нагрев и охлаждение воздуха (kBtu (кВт-ч)) | 4662,3 (136605) | 3563,0 (104387) | 2176,5 (63771) | % от базы сравнения | 100 | 77 | 47 |
Максимальный расход ((м 3/ч)) | 18500 (31431) | 18500 (31431) | 9500 (16140) |
Чиллер (Tons (кВт)) | 118 (415) | 74 (260) | 57 (200) |
Котел (MBh (кВт) | 1160 (340) | 490 (143) | 340 (100) |
Таблица 2. Результаты численного моделирования. Лабораторные помещения с холодным балками |
В таблицу 2 сведены результаты численного моделирования годового энергопотребления, а также требуемые мощности чиллеров и котлов в составе рассматриваемых систем. Первая система служит в качестве базы сравнения, удовлетворяя минимальным требованиям стандарта 90.1–2004 ANSI/ASHRAE/IESA в применении к зданию Tech IV. В данном варианте не предусмотрена ре-куперация тепла. Вторая система включает одноступенчатую рекуперацию тепла с использованием роторного теплообменника. В обоих вариантах системы вентиляции с переменным расходом воздуха поддерживают кратность воздухообмена, равную 6, как в рабочие, так и нерабочие часы.
Третий вариант включает в себя активные холодные балки, устанавливаемые в лабораторных помещениях, и централизованную систему вентиляции, осуществляющую двойную рекуперацию тепла с использованием «теплых колес». Как указывалось выше, общее количество воздуха, подаваемого в здание в данном варианте, сокращается примерно на 50% по сравнению с системами 1 и 2, поскольку приток используется только для обеспечения минимально необходимой вентиляции помещений и компенсации вытяжки. Система 3 работает c постоянным расходом воздуха для обеспечения минимально необходимой кратности воздухообмена как в рабочие, так и в нерабочие часы.
Из таблицы видно, что при использовании третьего варианта значительно снижаются затраты энергии на охлаждение воздуха. Это достигается за счет сокращения расхода свежего воздуха и значительно большей эффективности охлаждения. При использовании холодной балки значительно сокращается и расход энергии на предварительный подогрев воздуха. На окончательный нагрев воздуха в системах 1 и 2 тратится одинаковое количество тепла, в системе 3 данные расходы фактически равны нулю.
Общий статический напор вентилятора в третьем варианте выше, чем во втором, в котором, в свою очередь, он больше, чем в первом. Однако, несмотря на это, благодаря пониженному расходу воздуха в третьем варианте, годовой расход энергии, потребляемой вентилятором, меньше.
По сравнению с базовым — первым вариантом, общие годовые затраты энергии на охлаждение воздуха, предварительный и окончательный его нагрев, работу вентиляторов во второй системе снижаются на 23%, в третьей — на 53%.
На рис. 7 полученные результаты представлены в графическом виде.
Рис. 7. Результаты численного моделирования |
В таблицу 3 сведены дополнительные результаты численного моделирования энергопотребления двух гипотетических вариантов системы 3 с незначительно уменьшенной системой обработки воздуха. Данные по системам 1, 2 и 3 (общий расход энергии за год и % от базы сравнения) заимствованы из таблицы 2. Дополнительно полученные результаты представлены в тех же показателях для альтернативных вариантов 1 и 2 системы 3, предусматривающих снижение общего расхода воздуха, соответственно, на 35% и 25%. Кроме того, в альтернативном варианте 2 системы 3, имеет место 42%-я годовая экономия энергии (против 53% в основном варианте системы 3). Экономия обусловлена сокращением расходов энергии на охлаждение воздуха за счет двойной рекуперации и того, что температура воздуха на выходе охладителя при определенных условиях превышает 10°С по сухому термометру и 9,70 — по мокрому. Также способствует экономии исключение расходов энергии на окончательный нагрев воздуха.
Повышенные значения температуры воздуха на выходе охладителя возможны также в системах 1 и 2. Несмотря на это, следует иметь в виду, что в лабораторных помещениях не исключено и понижение температуры воздуха на выходе охладителя. По этой причине изменения температуры воздуха на выходе охладителя при моделировании систем 1 и 2 не учитывались.
Общий расход энергии за год, kBtu (кВт-ч) |
% от базы сравнения | Сокращение типоразмера системы обработки воздуха | |
---|---|---|---|
Система 1 | 4662,3 (136605) | 100% | Нет |
Система 2 | 3563,0 (104387) | 77% | Нет |
Система 3 | 2176,5 (63771) | 47% | 50% |
Система 3 (Альтернатива 1) | 2469,8 () | 53% | 36% |
Система 3 (Альтернатива 2) | 2697,3 () | 58% | 75% |
Таблица 3. Результаты численного моделирования. Альтернативны сокращения типоразмера системы обработки воздуха |
Ограниченность результатов численного моделирования
Поскольку программное обеспечение почасового анализа не учитывало использования холодных балок, они моделировались как двухтрубные фэнкойлы с нулевым статическим напором вентиляторов. Кроме того, в программе предусмотрен ввод исходных данных только для одного рекуператора. Поскольку при двойной рекуперации эффективность работы в летний период резко увеличивается, проводилось отдельное моделирование предварительного нагрева и охлаждения воздуха. Изменения эффективности работы теплообменников при промежуточных состояниях наружного воздуха не учитывались. Централизованная система обработки воздуха в программном обеспечении почасового анализа имитируется как «регулируемая вентиляция», поддерживающая относительную влажность воздуха в здания на уровне, не превышающем 50%.
Результаты моделирования следует рассматривать только как ориентировочные, иллюстрирующие потенциальные преимущества при использовании конкретной системы. Основное внимание сосредоточено на показателях, характеризующих расходы энергии на охлаждение и нагрев воздуха в централизованной системе и непосредственно в лабораторных помещениях.
Следует также учесть, что в зимний период снабжение балок холодной водой может производиться от экономайзера, позволяя на время отключить оборудование для механического охлаждения. При использовании водоохлаждаемого чиллера, в комплексе с градирней может применяться пластинчатый теплообменник, обеспечивающий энергосбережение в гидравлической системе. Сам воздухоохлаждаемый чиллер может оснащаться системой свободного охлаждения (free cooling).
Холодные балки работают при температуре воды 15°С или 15,5°С против 4°С–7°С в охладителях централизованной системы обработки воздуха. В результате работа экономайзера в системе снабжения балок холодной водой может осуществляться на протяжении более продолжительного времени.
Анализ капитальных затрат
Инвестиционная составляющая затрат на холодные балки, их гидравлическую обвязку и устройства рекуперации тепла, может быть возмещена за счет уменьшения типоразмера системы обработки воздуха и проходного сечения воздуховодов, а также снижения мощности чиллера и котла. При этом существует возможность сократить высоту межэтажных перекрытий, что позволит снизить стоимость строительных работ. Кроме того, использование холодных балок позволяет значительно сэкономить на эксплуатационных расходах [4].
Сметы, составленные для здания Tech IV и проекта X из таблицы 1, показывают, что разница в затратах на оборудование для систем с холодными балками и традиционных систем, сравнительно невелика. Поскольку оба эти проекта выполнены для уже построенных зданий, уменьшение высоты межэтажных перекрытий при этом не учитывалось.
Потенциальные недостатки и ограничения
Типичные проблемы рассмотренной схемы связаны со взаимным расположением балок и приборов освещения на потолке, ограничениями балок по весу и образованием конденсата. Первая проблема может быть решена путем использования подвесных приборов освещения и балок, установленных заподлицо с потолком. Балки можно разместить в ряд друг за другом. Обычно так можно соединить до пяти активных холодных балок, обеспечив одно общее подсоединение к потоку «нейтрального воздуха».
В помещениях с высокой тепловой нагрузкой в дополнение к холодным балкам можно использовать фэнкойлы. Образование конденсата можно предотвратить путем соответствующего строительного проектирования и эффективного управления температурой воды, поступающей на вход холодных балок [4]. Как указывалось ранее, обычно температура воды на входе холодных балок поддерживается примерно на 2°С выше точки росы.
Выводы
В проектах, использующих холодные балки в сочетании с системой централизованной обработки воздуха с двойной рекуперацией, может быть достигнуто существенное снижение расходов энергии на работу вентиляторов, охлаждение и нагрев воздуха. Типоразмеры систем централизованной обработки воздуха, чиллера и котла могут быть также существенно сокращены. Капитальные затраты при этом примерно такие же, что и при использовании традиционных систем.
Кроме того, холодные балки выгодно отличаются от фэнкойлов тем, что требуют меньше места для размещения и меньший объем технического обслуживания. Тщательное планирование взаимного местоположения холодных балок и дополнительных потолочных диффузоров (там, где они требуются) может обеспечивать оптимальное распределение воздуха, а также эффективную вентиляцию лабораторных помещений.
Литература:
- USGBC. 2005. LEED Reference Package. Version 2.2.Washington. D. C.: U. S. Green Building Council.
- 2007 ASHRAE Handbook — HVAC Applications. Chapter 14. Laboratories.
- Bartholomew P. 2004. «Makeup air heat recovery: saving energy in labs.» ASHRAE Journal 45 (2): 35–40.
- Rumsey P. and Weale J. 2007. «Chilled beams in labs: eliminating reheat saving energy on a budget.» ASHRAE Journal 49 (1):18–25
Barry M Barnet, старший помощник руководителя отдела обучения персонала и старший инженер-проектировщик фирмы CUH2 A в г. Принстон (США, штат Нью-Джерси).
Редакция журнала «МИР КЛИМАТА» выражает благодарность за помощь в адаптации статьи на русский язык к. т. н. М. М. Короткевичу (Ventrade) и к. т.н. Е. П. Вишневскому