Local-central air conditioning systems in a shopping mall in Moscow

Abstract

An example of calculation of operational regimes of local-central air conditioning systems in a sales area in summer and winter seasons is presented.

A scheme and a principle of operation of such systems are given.

Full Text

Фирмой «Резерв» разработан проект здания торгового комплекса. Оригинальное архитектурно-строительное решение здания торгового центра потребовало нетрадиционных решений инженерных систем, в состав которых входят системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (ВОК).

Особенностью современных торговых центров является наличие различных по назначению зон, позволяющих посетителям как сделать покупки (торговые залы), так и отдохнуть (бары, рестораны, кафе).

Для помещений торговых залов характерно отсутствие постоянных внутренних перегородок и постоянных мест размещения демонстрационных витрин. Торговые помещения сдаются в аренду различным фирмам, которые сами определяют вид продаваемого товара, расположение демонстрационных витрин и торговых точек. Второй особенностью функционирования торговых помещений является переменность тепло и влаговыделений в торговых точках из-за изменения числа покупателей, а также в зависимости от времени суток.

Энергосбережение при функционировании систем кондиционирования воздуха (СКВ) торговых помещений достигается применением местно-центральных СКВ с агрегатами, имеющими регулируемую холодопроизводительность. Каждое торговое помещение обслуживается своей приточной установкой, в которой приготовляется наружный воздух в количестве 30 м³/ч на человека или 6 м³/ч на 1 м² площади.

Количество приточного наружного воздуха £_пн (м³/ч) принято из условия поглощения расчетных влаговыделений от людей в теплый период года. В воздухоохладителе приточного агрегата осуществляется наиболее энергетически рациональный режим охлаждения приточного наружного воздуха, представленный на /-^-диаграмме на рис. 1. Заштрихована область возможных колебаний параметров внутреннего воздуха в обслуживаемой зоне торговых залов, отвечающая оптимальным нормам теплового комфорта для людей в теплый период года [3].

Приточный наружный воздух с параметрами Б (точка Н) [3] охлаждается при постоянном влагосодержании до t_m = 16 °C. В приточном вентиляторе и воздуховодах он нагревается на 1 °C и с температурой t_пн = 17 °C через диффузоры под потолком (ниже светильников) равномерно подается струями в обслуживаемую зону торгового помещения. Вытяжка отработанного воздуха из каждого торгового помещения осуществляется из верхней зоны через заборные устройства, смонтированные выше светильников. Это позволяет до 40 % теплоты от светильников отводить с вытяжным воздухом.

Приточный наружный воздух в расчетных условиях теплого периода года поглощает от 20 до 30 % общих теплоизбытков и 100 % расчетных влаговыделепий. Основные же явные тепловыделения на 70—80 % воспринимаются охлажденным в местных рециркуляционных агрегатах внутренним воздухом. В зависимости от распределения теплоизбытков по площади торгового помещения может изменяться место расположения вентиляторного агрегата, воздухоохладитель которого присоединяется к патрубкам, предусмотренным на подающем и обратном трубопроводах циркуляции охлажденной воды.

Трубопроводы подачи охлажденной воды к воздухоохладителям местных агрегатов и возврата отепленной воды подведены к каждому торговому помещению.

Торговое помещение делится на зоны с примерно одинаковыми изменениями тепловыделений. В каждой зоне устанавливают датчики контроля температуры. При сосредоточении покупателей в одной из зон торгового помещения местные агрегаты в этой зоне работают с максимальной холодопроизводительностью, осуществляя охлаждение внутреннего рециркуляционного воздуха при постоянном влагосодержании на t_ох = 6 °C (режим охлаждения В—В*_т на рис. 1). В зонах торгового помещения, где покупателей мало, тепловыделения будут ниже расчетных. Это обусловит снижение t_в ниже комфортного значения (t_n = 23 °C). Датчик контроля температуры воздуха в обслуживаемой зоне подает команду на автоматический клапан сокращения подачи охлажденной воды от центральной холодильной станции в воздухоохладители местных вентиляторных агрегатов, обслуживающих эту зону торгового помещения (процесс В— #_мо ).

Рис. 1. Построение на I—d-диаграмме расчетного режима работы местно-центральной СКВ в торговых помещениях в теплый период года:Н—ОХ — охлаждение саннормы приточного наружного воздуха в центральном приточном агрегате; ОХ-ПН - нагрев в приточном вентиляторе и воздуховодах; ПН—В — поглощение влаговыделений и части явных теплоизбытков в обслуживаемом помещении; В-Вцпх — охлаждение внутреннего рециркуляционного воздуха при постоянном влагосодержании в воздухоохладителе местного вентиляторного агрегата; Вмох—В — восприятие тепловыделений в помещении охлажденным в местном вентиляторном агрегате воздухом; В— Вмол — охлаждение рециркуляционного воздуха в местном агрегате при снижении тепловыделений в обслуживаемой зоне торгового помещения

Сокращение потребления холодной воды в воздухоохладителях центральных приточных местных рециркуляционных агрегатов будет воспринято автоматическими регуляторами работы холодильных машин на центральной холодильной станции (подробное описание энергосберегающей системы холодоснабжения СКВ торгового центра см. в журнале «Холодильная техника» № 3/2004).

В здании торгового центра применено остекление наружных строительных конструкций. Наличие наклонного вертикального декоративного остекления позволило создать затемнение и понизить расчетные теплопритоки от солнечной радиации.

В целях снижения теплопритоков от нагретого остекления в теплый период года применены подвесные вентиляторные агрегаты. В теплый период года в воздухоохладители этих агрегатов подается холодная вода. Охлажденный рециркуляционный воздух через направляющие сопла поступает на нагретое остекление. В холодный период года эти вентиляторные агрегаты используются для обдува остекления нагретым рециркуляционным воздухом.

По периметру наружных ограждающих конс трукций торговых помещений установлены плинтусные конвекторы с горизонтальной двухтрубной схемой теплоснабжения горячей водой от местного индивидуального теплового пункта (ИТП), расположенного в подвале здания. Системы отопления в расчетных условиях холодного периода года работают на горячей воде 95/70 °C. Изменение температуры горячей воды в ИТП осуществляется автоматически в зависимости от темпера гуры наружного воздуха.

Регулирование теплоотдачи отопительных приборов производится с помощью терморегуляторов прямого действия, устанавливаемых на подводках к ним.

В торговых помещениях при включенном освещении, наличии покупателей и работе служебного оборудования теплоизбытки сохраняются и в холодный период года. Так, например, в рабочие часы суток в торговых помещениях цокольного этажа супермаркета на уровне 4,2 м удельные теплоизбытки составляют 39 Вт/м², а в торговом помещении на первом этаже они меньше 27 Вт/м².

Поглощение теплоизбытков в холодный период года энергетически рационально осуществлять путем подачи саннормы приточного наружного воздуха с температурой t_нх < t_вх. По нормам [1] в холодный период года температура воздуха в торговых помещениях поддерживается на уровне t_вх = 16 °C. Для сохранения тепловой комфортности при воздухораспределении через диффузоры, расположенные у потолка, в холодный период года температурный перепад L~^Znxx может достигать 4 °C.

Тогда в цокольный этаж торгового помещения с приточным наружным воздухом поступит естественный холод в количестве (Вт)

Q_х.пн = L_пн р_пн c_р(t_вх -t_пн.х (1)

где р_пн — плотность приточного наружного воздуха, кг/м³;

с_р — удельная теплоемкость воздуха, кДж/(кг-К),

или в численном выражении

Q_х.пн  = 10700-1,22-1(16-12)/ 3,6= 14504 Вт.

Удельная ассимиляционная способноеть приточного наружного воздуха

q_х.ас.пн =Q_х.пн / F_пом =14504/1730 = = 8,4 Вт/м²,

где Г_пом площадь торговых площадей цокольного этажа супермаркета, м².

Остальные теплоизбытки удаляются охлаждением рециркуляционного воздуха в местных вентиляторных агрегатах:

Q_х.м.н. = Q_т.изб / Q_х.пн = 67500 14504 = 52996 Вт.

Для экономии электроэнергии на выработку холода в проекте применен принцип «свободного охлаждения», когда охлаждение воды, поступающей в теплообменники местных вентиляторных агрегатов, осуществляется холодом наружного воздуха (см. журнал «Холодильная техника», № 3/2004).

Построение на I-d диаграмме расчетного режима работы местно-центральной СКВ торговых помещений в холодный период года представлено на рис. 2.

В ночные часы дежурное отопление согласно требованиям норм [ 1] рассчитано на температуру воздуха 10 °C. С включением освещения в начале рабочего дня происходит быстрый подъем температуры воздуха в обслуживаемой зоне помещения до нормируемого значения /_вх= 16 °C.

Наружный приточный воздух (в количестве, определяемом санитарными нормами) нагревается в приточных агрегатах с помощью калориферов до температуры притока /_пнх = 12 °C (процесс // ПН^.

В приточном агрегате энергетически рациональную температуру приточного воздуха следует принимать t_{m х} < /_{в х} = 16 °C. Это позволит сократить расход тепла на нагрев приточного наружного воздуха и использовать естественный холод для ассимиляции тепловыделений в торговом зале. Выбирая температуру притока /_пнх, необходимо проверить обеспечение комфортного воздухораспределения и отсутствие холодного дутья в зоне нахождения людей в торговом помещении. В нашем случае t_вх=12 °C.

Рис. 2. Построение на I-dдиаграмме расчетного режима работы местно-центральной СКВ в торговом помещении в холодный период года (сплошные линии) и годовая климатическая кривая изменения параметров наружного воздуха в Москве (пунктир):Н—ПНх — нагрев приточного наружного воздуха в калорифере приточного агрегата;ПН—Вх — поглощение тепловыделений и влаговыделений в торговом помещении приточным наружным воздухом;В-Вхмм охлаждение рециркуляционного воздуха в теплообменнике местного вентиляторного агрегата; Вхмох-Вх -поглощение тепловыделений в торговом помещении охлажденным рециркуляционным воздухом; Н-Нноч-Нх — климатическая кривая изменения температур наружного воздуха в Москве (пунктирная линия)

Аналогичные требования по комфортности воздухораспределения относятся и к выбору температуры притока охлажденного рециркуляционного воздуха t_{в.х.н.ох} от местных вентиляторных воздухоохладительных агрегатов.

Регулирование производительности местных агрегатов осуществляется по t_вх. При снижении t_х < 16 °C происходит автоматическое сокращение поступления холодной воды в теплообменники местных вентиляторных агрегатов.

На рис. 2 пунктиром показана условная климатическая кривая H-H_ноч-H годового изменения параметров наружного воздуха в климате Москвы. Климатическую кривую пересекают изотермы t_{в х} = 16 °C, t_{в иер} = 20 °C и /_в = 25 °C, соответствующие границам комфортных температур воздуха в зоне нахождения людей в торговых помещениях в холодный, переходный и теплый периоды года.

Норма t_нх = 16 °C для холодного периода года11] предполагает, что покупатели в торговых помещениях находятся в теплой одежде (в климате России до температур наружного воздуха порядка 6... 10 °C). В диапазоне изменения температур наружного воздуха 10.. .20 °C люди одеваются соответственно осеннему и весеннему климату. В этот период в зоне нахождения людей в торговых помещениях температуру воздуха рационально поддерживать на уровне 17...20 °C при комфортном диапазоне относительной влажности 30-60 %.

Энергетически целесообразно осуществлять автоматическую перенастройку датчиков контроля температуры воздуха в зоне нахождения людей в торговых залах с t_вх = 16 °C (в холодные дни) на t_впер = 20 °C (в переходный период) и на t_в = 25 °C (в теплый период года) в соответствии с параметрами Б [3].

Как известно, в последние годы летом в России наблюдается значительное потепление. Так, например, в Москве температура наружного воздуха в течение двух недель в полуденные часы превышает 30 °C. Холодопроизводительности центральной холодильной станции, рассчитанной на теплопритоки при t_п = 28,5 °C (параметры Б), оказывается недостаточно для поддержания в зоне нахождения людей в помещениях комфортной температуры t_в = 25 °C. Тепловой дискомфорт увеличивается и от того, что при интенсивной солнечной радиации и длительном сохранении высоких температур наружного воздуха строительные конструкции, мебель, служебное оборудование накапливают тепло и начинают выделять его в помещение.

Для устранения перегрева помещений без увеличения расчетной мощности холодильной станции рационально в ночные часы охлаждать помещение прохладным наружным воздухом. В режимах ночного охлаждения следует температуру внутренней поверхности строительных конструкций понизить до 21 ...22 °C. Охлажденные ночью поверхности в дневные часы смогут поглощать тепло от солнечной радиации или работы освещения во внутренних помещениях. Допустимый по условиям теплового комфорта дневной подъем температуры поверхностей до 26 °C значительно снизит нагрузку на СКВ.

В торговом центре в целях сокращения затрат электроэнергии на преодоление аэродинамического сопротивления протяженных воздуховодов помещения с приточными и вытяжными агрегатами расположены рядом с обслуживаемыми торговыми помещениями. Это вызвало определенные трудности с размещением в тесном помещении оборудования стандартных размеров. Поэтому было выбрано оборудование фирмы «ИоркРоссия», которое изготовляется с определенными проектом рациональными размерами [2].

Рис. 3. Принципиальная схема местно-центральной СКВ, обслуживающей торговое помещение:1 — клапан поступления саннормы приточного наружного воздуха Lпн; 2 — фильтр; 3 — калорифер; 4 — сдвоенный рециркуляционный насос; 5 — автоматический водяной клапан на трубопроводе горячей воды; 6 — воздухоохладитель; 7 — автоматический трехходовой клапан на трубопроводе холодной воды; 8 приточный вентилятор; 9 — приточный воздуховод; 10— приточные диффузоры; 11 — местные вентиляторные воздухоохладители; 12 — торговое помещение; 13 — заборные вытяжные устройства, 14 — вытяжной воздуховод к вытяжному агрегату (на схеме не показан); 15 шумоглушитель

На рис. 3 представлена принципиальная схема местно-центральной СКВ, обслуживающей торговые помещения. При включении пускателя М П электродвигателя приточного вентилятора 8 открываются воздушные клапаны 7, и приточный наружный воздух L_nH поступает в фильтр 2. В холодный период года приточный воздух t_пн нагревается в калорифере 5 до температуры притока t_{пн х}, что обеспечивается автоматическим регулированием расхода горячей воды (7_wrlJ поступающей к смесительному насосу 4 с помощью клапана 5. Для обеспечения надежности нагрева приточного воздуха и увеличения времени работы смесительного насоса 4 использован сдвоенный насос типа UPSD. Расход воды G_wr через трубки калорифера постоянен, скорость воды в трубках составляет порядка со = 0,122 м/с, что соответствует турбулентному режиму течения жидкости и предотвращает замораживание (по требованиям СНиП 13]).

В переходный период года при достижении t_н 13 °C насос 4 останавливается и нагрев приточного наружного воздуха в калорифере 3 прекращается. Приточный наружный воздух подается в помещение без нагрева при температурах наружного воздуха 13...20 °C. При t_н > 20 °C к воздухоохладителю 6 начинает подаваться холодная вода t_wxl. Ее расход регулируется трехходовым клапаном 7, управляемым датчиком контроля температуры приточного воздуха t_пн « 16 °C. Вентилятор 8 по приточному воздуховоду 9 подает приготовленный наружный воздух t_пн через диффузоры вторговое помещение 12. Под потолком торгового помещения 12 подвешены местные охладительные вентиляторные агрегаты 77 фирмы «Йорк-Россия» с дистанционным управлением. Расход холодной воды через теплообменники вентиляторных агрегатов регулируется по команде датчиков контроля температуры t_u в соответствующей зоне нахождения людей в торговом помещении 12. Отепленный воздух под потолком через устройство 13 по вытяжному воздуховоду 14 поступает в вытяжной агрегат и выбрасывается наружу.

При строительстве торгового центра были поставлены жесткие условия по обеспечению малошумности работы оборудования инженерных систем. Поэтому все выбросы вытяжного воздуха оборудованы шумоглушителями.