(Часть 1. Отопление излучающими панелями – см. журнал «АВОК», 2003, № 6, с. 38.)
Потолочные системы охлаждения помещений – это комбинированные лучисто-конвективные системы, которые ассимилируют избыточное тепло, причем явное тепло поглощается лучистой составляющей панелей, а скрытое тепло – вентиляционным воздухом, подающимся в помещение либо через панели, либо непосредственно через воздухораспределители системы вентиляции или кондиционирования.
Классификация потолочных охлаждающих панелей основана на соотношении между теплообменом, излучением и конвекцией:
— панелями лучистого охлаждения считаются панели, в которых преобладает теплообмен посредством излучения;
— панелями конвективного охлаждения считаются панели, в которых преобладает теплообмен посредством конвекции;
— панелями лучисто-конвективного охлаждения считаются панели, которые охлаждают помещение за счет лучистого и конвективного теплообмена в соизмеримых соотношениях, или если доля конвективного теплообмена является преобладающей.
Образец панели лучистого охлаждения, изготавливаемой из металла или гипсокартона, куда вставляются теплообменные трубки (контактный профиль имеет закрытую поверхность), которая монтируется непосредственно в потолок и по внешнему виду ничем от него не отличается.
Панели конвективного и лучисто-конвективного охлаждения не устанавливаются в потолок, поскольку полностью должны омываться воздухом. Поверхность теплообмена таких панелей может наращиваться при помощи различного рода распорных стержней и/или перфорированных втулок, увеличивающих долю теплообмена посредством конвекции до 60–70 %. В панели такого типа дополнительно могут устанавливаться поддоны для сбора конденсата, предотвра щающие каплеотделение.
Панели лучистого охлаждения монтируются непосредственно в потолок и по внешнему виду мало чем от него отличаются. Теплоотдающая поверхность панелей (как правило, изготавливается из металла или гипсокартона), под которой расположены теплообменные трубки (контактный профиль имеет закрытую поверхность).
Панели конвективного охлаждения или лучисто-конвективного охлаждения, напротив, не могут устанавливаться в потолок, поскольку должны омываться воздухом. Для интенсификации конвективного теплообмена поверхность таких панелей может иметь перфорацию, увеличивающую циркуляцию воздуха вокруг панели. В этом случае доля конвективного теплообмена может достигать 60–70 %. В панели при необходимости могут устанавливаться поддоны для сбора конденсата во избежание капели.
Особую группу панелей конвективного охлаждения составляют охлаждающие балки, в которых шаг теплообменных элементов сокращен до 3–6 мм, что позволяет повысить долю конвективного теплообмена до 90–95 %.
Панели конвективного охлаждения могут монтироваться открытыми либо устанавливаться в подвесной потолок (при условии, что его поверхность открыта не менее чем на 20 %).
Состав приточной камеры в системе кондиционирования воздуха на основе потолочных охлаждающих панелей.
Стандартный состав приточной камеры
Как правило, приточная камера включает в себя:
1 – фильтр предварительной очистки, установленный на наружном воздухозаборном устройстве;
2 – рекуператор тепла из отводимого воздуха;
3 – систему фильтрации;
4 – калорифер I подогрева (если система работает в круглогодичном режиме);
5 – поверхностный воздухоохладитель;
6 – систему увлажнения воздуха;
7 – калорифер II подогрева для корректировки температуры приточного воздуха в зимний период (если система работает в круглогодичном режиме);
8 – приточный вентилятор;
9 – вытяжной вентилятор (в целях обеспечения избыточного давления воздуха в помещении мощность вытяжного вентилятора должна составлять не более 90 % от мощности приточного вентилятора).
Вентиляция помещений
В системах на основе потолочных охлаждающих панелей приточный воздух выполняет две функции – во-первых, подача свежего воздуха в помещение и, во-вторых, регулирование относительной влажности. Объем приточного воздуха определяется в зависимости от вида и назначения помещения и числа находящихся в нем людей.
В Италии действует регламент UNI 10339, в соответствии с которым, в зависимости от назначения помещения, уровень вентиляции варьируется от минимальных 4 л/с на человека в детских дошкольных учреждениях до максимальных 16 л/с на человека в танцзалах.
Удельная мощность потолочных систем охлаждения, Вт/м 2
Тип
tвозд. — tводы средн., °С
7
8
9
Панели лучистого охлаждения
45-65
55-75
60-85
Панели лучисто-конвективного охлаждения
130 макс.
155 макс.
180 макс.
Охлаждающие балки:
конвективного охлаждения
220–270
240–300
280–350
конвективного охлаждения + приточный воздух*
320–370
340–400
380–450
Для того чтобы должным образом регулировать влажность в летний период, приточный воздух должен подаваться в помещение при температуре примерно 16 °C. Таким образом, в расчетных условиях (температура воздуха в помещении 26 °C по сухому термометру) подача наружного воздуха будет вызывать определенный рост мощности системы охлаждения, оцениваемой на уровне 12 Вт на каждый л/с воздуха и, соответственно, уменьшающей нагрузку на потолочные охлаждающие панели.
Функциональная схема «активной» охлаждающей панели. Приточный воздух подается через форсунки, «захватывает» воздух из помещения, который проходит через теплообменники контура отопления или охлаждения, и затем обработанная смесь приточного воздуха и воздуха помещения возвращает
Никакая другая дополнительная система подачи наружного воздуха не требуется, а любая «естественная» вентиляция путем пусть даже контролируемого периодического открывания окон создаст серьезные проблемы, среди которых:
— существенный рост как летних, так и зимних нагрузок, которые в ветреные дни могут достигать значений, не поддающихся никакому прогнозу;
— поступление воздуха с высоким содержанием загрязняющих веществ, особенно на нижних этажах в помещениях, выходящих окнами на дороги с интенсивным движением;
— увеличение шума в помещениях;
— невозможность рекуперации тепла воздуха, удаляемого из помещений;
— увеличение риска выпадения конденсата на охлаждающих элементах, особенно в дни с большими перепадами температуры и/или влажности наружного воздуха.
Регулирование температуры воздуха помещения
Регулирование температуры воздуха в помещении осуществляется изменением количества тепла или холода, поступающего на потолочные охлаждающие панели по сигналу комнатного термостата. Регулирование происходит следующим образом:
— изменением расхода холодной воды, питающей панели, посредством двухходового клапана с механическим приводом, установленного на входе в контур панелей, если установлена система с переменным расходом воды;
— изменением расхода холодной воды, питающей панели, посредством смесительного трехходового клапана с механическим приводом, установленного на выходе из контура панелей;
— изменением расхода холодной воды, питающей панели, посредством двухходового клапана с механическим приводом, установленного на выходе из контура панелей, если система питания панелей наливного типа и оснащена постоянно работающим рециркуляционным насосом.
Варианты возможных схем регулирования температуры воздуха в помещении путем изменения пропускных объемов воды в потолочных охлаждающих панелях.
«Пассивные» охлаждающие панели и распределение воздуха
В принципе приточный воздух может подаваться в помещение при помощи вихревых воздухораспределителей либо системой вытесняющей вентиляции.
Вихревые воздухораспределители имеют в своем составе приточные сопла, генерирующие воздушные струи с высоким эжектирующим эффектом. Происходящее в воздухораспределителе смешение приточного наружного воздуха с воздухом помещения обеспечивает однородность распределения воздуха по всему помещению. Воздухораспределительные устройства могут монтироваться и в стены, и в потолок, но в любом случае они должны иметь очень высокий уровень эжекции.
Системы вытесняющей вентиляции предусматривают подачу приточного воздуха через воздухораспределители, установленные в нижней зоне помещения. Отсюда равномерный воздушный поток перемещается в направлении снизу вверх, при этом имеет место «эффект всплывания» – воздух нагревается, поглощая тепло помещения, чтобы затем передать его на охлаждающий потолок. Таким образом обеспечивается практически одинаковая температура воздуха в помещении. Воздухораспределители могут устанавливаться в нижней части стен. В этом случае приточный воздух, опускаясь вдоль воздухораспределителя, растекается по полу, а затем начинает подниматься к потолку в силу «эффекта всплывания» из-за нагревания, обусловленного тепловой нагрузкой.
Если приточный воздух подается с уровня пола, то разность температуры приточного воздуха и воздуха помещения не может превышать 3–4 °C во избежание теплового дискомфорта для пользователей. Ассимилирующая способность наружного воздуха составляет 3,6–4,8 Вт/л/с. Очевидно, что для того чтобы приточный воздух имел температуру около 22–23 °C и абсолютную влажность, достаточно низкую для ассимиляции скрытого тепла, наружный воздух нужно сначала охладить, а затем опять нагреть. Понятно, что такой способ снабжения воздухом с эксплуатационной точки зрения представляется малопривлекательным, если не используется утилизированное тепло.
Оба рассмотренные здесь способа распределения воздуха предполагают использование так называемых «пассивных» панелей, т. е. панелей, на которые непосредственно приточный воздух не подается.
Преимущества охлаждающих потолков и балок
— Повышенный тепловой и акустический комфорт помещения: отсутствие сквозняков, равномерность температуры воздуха по высоте помещения, вертикальный температурный градиент остается в пределах 1 °C в помещениях высотой до 2,5 м, практическая бесшумность установки. Скорость движения воздуха не превышает максимального значения 0,12 м/с.
— Умеренные эксплуатационные расходы, особенно очевидные, если имеется возможность использовать отдельный холодильный агрегат для обработки воды, питающей потолочные охлаждающие панели. Например, повышение температуры воды с 7 °C, обычных для центральных систем кондиционирования, до 15–16 °C, применяемых в системах на основе потолочных охлаждающих панелей, дает примерно 20%-е увеличение КПД холодильной установки. Учитывая, что нагрузка охлаждающего потолка составляет около 85 % общей нагрузки, экономия в целом может составить до 15 % в год.
— Минимальное место для размещения: по сравнению с центральными системами экономия места достигает 35–40 % в части размеров воздуховодов и до 60 % в части приточных установок.
— Использование только потолочного пространства. Никаких дополнительных устройств и агрегатов на полу и в стенах.
— Возможность комбинации охлаждающей и отопительной систем.
«Активные» охлаждающие панели
«Активные» охлаждающие панели позволяют осуществлять смешение приточного наружного воздуха и воздуха помещения и подавать смесь в помещение. У таких панелей приточный воздух подается через сопла, которые эжектируют воздух помещения. После смешения воздух выпускается в помещение вдоль потолка, что обеспечивает оптимальное его распределение. В системе имеется возможность использовать двухконтурные теплообменники (контур отопления и контур охлаждения), вследствие чего такая система представляется идеальной для использования в межсезонный период, а также везде, где часто имеются знакопеременные нагрузки.
Воздушно-водяная охлаждающая балка монтируется последовательно в модули подвесного потолка. Помимо охлаждения она обеспечивает вентиляцию и оказывает индуцирующее действие на часть воздуха в помещении, вследствие чего происходит его отбор и перемешивание. В системе имеется возможность регулирования пропускной способности, а также различной организации распределения воздуха.
Фрагмент водяной охлаждающей балки, оборудованной в верхней части воздушным приточным каналом, где проходит вентиляционный воздух. Воздух распределяется через форсунки, смонтированные непосредственно в «гребне» балки. Балка относится к системам отрытого типа.
Температура воды и предотвращение образования конденсата
Для предотвращения образования конденсата на охлаждающих панелях необходимо, чтобы температура поступающей в них воды была выше температуры точки росы воздуха помещения. Например, для обеспечения расчетной температуры 26 °C с относительной влажностью 50 % (температура точки росы 15 °C) потребуется зафиксировать термостат, регулирующий температуру поступающей в систему воды, либо регулятор холодильного агрегата, если панели обслуживаются отдельным холодильным агрегатом, на значении не ниже 17 °C. Поскольку панели рассчитаны на разность температуры подающей и обратной воды в 2 °C, то в том случае, если используется отдельный холодильный агрегат, во избежание чрезмерного роста потерь нагрузки через испаритель рекомендуется подключить его к системе, с тем чтобы в расчетных условиях разность температур на испарителе не опускалась ниже установленных 5 °C.
Непредвиденное образование конденсата можно предотвратить, если установить датчики температуры точки росы на подводке воды в панели. Датчики взаимодействуют с распределительной системой, прерывая подачу либо повышая температуру за счет рециркуляции сверх уровня максимальной температуры точки росы, возможной для параметров наружного воздуха.
Основные характеристики систем на основе потолочных охлаждающих панелей
Температура воды на подаче в панели
15 °C
Рост КПД по сравнению с обычными системами, работающими при 7 °C
+20 %
Экономия эксплуатационных расходов в годовом исчислении
15 %
Уменьшение функциональной площади при организации каналов
35–40 %
Уменьшение функциональной площади при монтаже приточной камеры
до 60 %
Удельная тепловая нагрузка для точки безубыточности на объем капиталовложений
55 Вт/м 2
Удельная тепловая нагрузка для точки безубыточности на объем капиталовложений и организацию установочных площадей
42 Вт/м 2
Удельная тепловая нагрузка для точки безубыточности на объем эксплуатационных расходов
40 Вт/м 2
Схема излучающих модульных стеновых перегородок, предназначенных для охлаждения и отопления, выполняемых из панелей, внутри которых монтируются змеевики для холодной или горячей воды. Каждый стеновой модуль оснащен сантехническим разъемом для непосредственного подключения к водопроводной сети.
Капитальные и эксплуатационные расходы
И с точки зрения капиталовложений, и с точки зрения эксплуатационных расходов система на основе потолочных излучающих панелей тем более выгодна, чем выше ее удельная нагрузка. Важно тем не менее, чтобы всякое сравнение проводилось с теми системами, которые имеют эквивалентные параметры как по возможному обеспечиваемому комфорту помещения, так и по функциональным характеристикам, например, с VAV-системами (Variable Air Volume Systems – системы с переменным расходом воздуха).
Сравнительная динамика удельной тепловой нагрузки по объемам капиталовложений и эксплуатационных расходов применительно к VAV-системам (Variable Air Volume Systems – системы с переменным расходом воздуха) и системам на основе потолочных охлаждающих панелей.
На приведенном графике система на основе потолочных охлаждающих панелей сравнивается с VAV-системой. При сравнении необходимо отметить следующие обстоятельства:
— удельная тепловая нагрузка безубыточности капитальных затрат в среднем составляет 55 Вт/м 2 ;
— безубыточности капитальных затрат с учетом стоимости площадей, занимаемых системой, соответствует удельная тепловая нагрузка 42 Вт/м 2 ;
Следует также подчеркнуть, что хорошо заметная на графике практически неизменная разница между кривой значений точки безубыточности на объем капиталовложений и кривой значений точки безубыточности на совокупный объем капиталовложений и организацию установочных площадей (примерно 7 %) обусловлена главным образом тем, что для доставки энергии на охлаждение и отопление здесь требуются существенно меньшие установочные габариты, поскольку в системах на основе потолочных охлаждающих панелей доставка осуществляется жидким носителем, имеющим высокую тепловую емкость (вода), а в системах с переменным расходом воздуха доставка идет посредством носителя, емкость которого ниже (воздух) и для которого, следовательно, требуются значительно более широкие каналы.
Потолочная система охлаждения и отопления, где используются полибутиленовые трубы, на которые установлены металлические конвекторы, закрепляемые на элементах подвесного потолка.
В статье использованы материалы:
1. R. Castiglioni. Soffitti e travi fredde, l’ultima frontiera della climatizzazione // Costruire Impianti. 2003. № 1.
2. Ф. А. Миссенар. Лучистое отопление и охлаждение. М.: ГСИ, 1961.
3. В. Н. Богословский. Строительная теплофизика. М.: ВШ, 1970.
