Холодные балки для лабораторий. Использование двойной рекуперации энергии - УКЦ

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.

Рис. 2. (слева) Активные холодные балки (лаборатория площадью 9 м 2 с вытяжным шкафом производительностью 425 м 3/ч) Рис. 3. (справа) Активные холодные балки (лаборатория площадью9 м 2 без вытяжного шкафа)

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.

Рис.5.(сверху) Двойная рекуперация «воздух – воздух» (наиболее жаркий летний день). Блок – схема последовательного подключения лабораторий, оборудованных холодными балками
Рис. 6.(снизу) Двойная рекуперация «воздух – воздух» (наиболее
холодный зимний день). Блок – схема последовательного подключения лабораторий, оборудованных холодными балками

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 значитель-но 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