Нагрузка на системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха часто является самым большим расходом энергии в коммерческих зданиях. Здания на крайнем севере или юге планеты часто имеют значительные затраты на отопление, в то время как здания в тропиках могут нуждаться в охлаждении воздуха круглый год.
Коммерческие здания, как и дома, имеют широкий выбор вариантов отопления и охлаждения, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки. Ниже приведены три наиболее часто используемые климатические системы для коммерческих зданий:
- Системы с переменным объемом воздуха (VAV) с блоком на крыше.
- Системы бойлеров, чиллеров и градирен
- Системы градирен и бойлеров для тепловых насосов с водяным источником тепла
-
Крышная установка в сборе с системой VAV
Конденсатор для кондиционирования воздуха и газовый или электрический котел для обогрева помещений обычно входят в комплект крышных установок (RTU). В климате, где блок должен обеспечивать кондиционирование воздуха при низкой внешней влажности, может быть добавлен экономайзер для снижения потребности конденсатора в охлаждении. Вентиляторы используются для нагнетания воздуха в систему воздуховодов, которая распределяет его по различным внутренним зонам во всех режимах работы.Каждая зона содержит VAV-бокс с заслонкой, которая открывается и закрывается в соответствии с требованиями к охлаждению или обогреву.
Положение заслонок определяется заданным значением температуры для каждой зоны. Например, если определенная зона требует максимальной мощности охлаждения или нагрева, заслонка будет полностью открыта.Когда все зоны здания находятся под частичной нагрузкой, а их заслонки наполовину закрыты, давление в воздуховоде повышается, и система становится шумной. Кроме того, избыточное давление равносильно напрасной трате мощности вентилятора. Однако, используя автоматику и частотно-регулируемые приводы, можно добиться превосходных результатов:
Состояние всех VAV-боксов постоянно контролируется системой управления. Хотя бы один из них должен быть полностью открыт; в противном случае мощность вентилятора расходуется впустую.
Если ни один из клапанов не открыт полностью, скорость вентилятора снижается, и все клапаны постепенно открываются, пока один из них не будет открыт полностью.
Теперь вентилятор производит именно то количество воздуха, которое необходимо для текущей нагрузки системы отопления, вентиляции и кондиционирования.Если скорость вентилятора регулируется с помощью двигателя с переменной частотой, можно добиться значительной экономии энергии. В общем, мощность вентилятора зависит от куба скорости — вентилятор, работающий на 90% скорости, потребляет только около 73% энергии, которую он потреблял бы на полной скорости. Еще одним преимуществом регулирования скорости является снижение уровня шума.
Учитывая, что воздух является основным каналом для переноса тепла, системы VAV с блоками на крыше целесообразно использовать в помещениях со значительной площадью крыши по отношению к площади внутреннего этажа. Из-за ограниченной площади крыши и больших вертикальных расстояний эти системы нецелесообразны в многоэтажных зданиях; в таких случаях предпочтительнее использовать чиллеры с водяным охлаждением или тепловые насосы с водяным источником тепла.
-
Чиллер с бойлером и градирней
Водяные контуры проходят через вентиляционные установки (AHU), которые обеспечивают соответствующий поток воздуха для каждой зоны здания, и в этих системах вода используется в качестве среды для транспортировки или извлечения тепла.
Чиллер собирает тепло из контура холодной воды здания и отводит его во вторичный водяной контур, подключенный к градирне, когда она работает в режиме охлаждения. Затем тепло отводится наружу градирней.
В режиме нагрева циркулирующая вода проходит через бойлер. Большинство котлов работают на электричестве, газе или масле.
В обоих случаях происходит теплообмен между циркулирующей водой и внутренним воздухом в кондиционерах. Когда чиллер и котел имеют общий водяной контур (двухтрубная система), все здание должно работать либо в режиме нагрева, либо в режиме охлаждения; однако когда каждый режим работы имеет свой собственный водяной контур (четырехтрубная система), различные зоны могут получать одновременный нагрев и охлаждение. Естественно, четырехтрубная система стоит дороже, поскольку трубы и комплектующие фактически удваиваются.
Контроль и автоматизация, как и системы VAV, могут привести к значительной экономии средств: Современные чиллеры обычно оснащены компрессорами с регулируемой скоростью, которые могут эффективно работать даже при частичной загрузке чиллера. Для повышения эффективности некоторые модели интегрируют управление скоростью с поэтапной работой.Вентиляторы градирен, водяные насосы и вентиляционные установки — все это примеры компонентов системы, которые могут выиграть от использования приводов с регулируемой скоростью.Экономайзеры для систем с водяным охлаждением также доступны, но они применимы только в определенных температурных зонах, где система будет обеспечивать кондиционирование воздуха при низкой внешней влажности.Системы на базе чиллеров обычно более эффективны, чем системы VAV, и они также более практичны для многоэтажных зданий: вместо того, чтобы иметь несколько упакованных крышных блоков, система может быть объединена в один чиллер и градирню, причем только градирня должна быть расположена снаружи или на крыше. -
Система тепловых насосов с водяным источником тепла с котлом и градирней
С точки зрения универсальности и энергоэффективности, коммерческие системы ОВКВ на основе тепловых насосов с водяными источниками являются лучшим вариантом. Тепловые насосы, как и кондиционеры воздуха, работают по холодильному циклу, но они обратимы; когда несколько тепловых насосов используются для обслуживания различных регионов делового здания, они могут переключаться между режимами охлаждения и нагрева по мере необходимости.
Все тепловые насосы в здании имеют общий водяной контур, и в зависимости от потребностей каждой зоны они либо отводят, либо поглощают тепло.Равные нагрузки на нагрев и охлаждение уравновешивают друг друга, поскольку водяной контур является общим.
Градирня используется для отвода дополнительного тепла, если потребность в охлаждении выше; с другой стороны, котел используется для компенсации разницы, если нагрузка на отопление выше.
Добавление контроля скорости всех используемых насосов и вентиляторов, как и в двух предыдущих сценариях, может сделать систему еще более эффективной. Тепловые насосы являются одними из самых энергоэффективных систем отопления и охлаждения: в режиме охлаждения они могут соответствовать или превышать эффективность чиллера, а в большинстве случаев они могут обеспечить обогрев помещения, затрачивая менее 40% энергии, используемой резистивным нагревателем.
Требование строительства специального теплового насоса для каждой зоны здания повышает стоимость этих систем, но более высокая энергоэффективность компенсирует это в долгосрочной перспективе. Например, когда нагрузки на охлаждение и отопление равны, эта система может функционировать при выключенных котле и градирне.
Выводы.
Размещение систем ОВКВ является одним из наиболее важных проектных решений в коммерческом здании, поскольку на него приходится значительная часть долгосрочных затрат на владение. В малоэтажных зданиях с большим количеством места на крыше, как правило, используются пакетные крышные установки с системами VAV, в то время как в многоэтажных зданиях предпочтение отдается чиллерам или тепловым насосам с водяным источником тепла.Разумеется, в каждой ситуации можно применить усовершенствования в области энергоэффективности. Более энергоэффективно модулировать скорость компрессоров, насосов и вентиляторов, чем включать и выключать их циклически, а также увеличить срок службы и снизить затраты на обслуживание.
