Л.Л. ГОШКА,
коммерческий директор
ООО «Кола», г. Сыктывкар

Лет 30 назад качество наружного воздуха было на порядок выше, а естественная вентиляция хоть и нестабильная, но между тем обеспечивала некий постоянный усредненный расход наружного воздуха в круглосуточном круглогодичном режиме. Тогда помещение можно было рассматривать как гомогенную систему. За последние 10-15 лет состояние окружающей среды существенно ухудшилось. Ухудшение качества внутреннего воздуха дополнительно усугубляется использованием при строительстве и отделке современных материалов, в том числе с высокоразвитой поверхностью (пористой структурой). Закономерным результатом становится неконтролируемый процесс образования внутри помещения различных химических соединений вплоть до таких, которые нельзя получить обычным аналитическим путем. За рубежом сформировалось даже такое понятие как «синдром больных зданий». К большому сожалению, данные процессы еще недостаточно изучены и описаны. Но с каждым годом становится все более очевидной необходимость улучшения воздушной среды в помещениях, где мы работаем и живем. И, если раньше при создании СКВ и СВ преобладал принцип экономической целесообразности, то сегодня крайне актуальным становится вопрос строгого поддержания физикохимических параметров воздуха.

Если помещение является гетерогенной системой, то загрязнение воздуха необходимо рассматривать уже на ионно-молекулярном уровне. Один из главных параметров, влияющих на объемные, а, следовательно, на поверхностные концентрации компонентов в помещении — расход наружного воздуха. Очевидна необходимость его увеличения. Но это, в свою очередь, приведет к резкому повышению энергопотребления, что диктует необходимость внедрения энергоэффективных технологий при создании СВ. Специалисты, занятые в нашей сфере, более или менее отдают себе в этом отчет.

Но как убедить заказчика в пользу выбора энергоэффективного оборудования из более высокого ценового сегмента, чем сумма, на которую он рассчитывал изначально?

Обозначим расход наружного воздуха, обеспечиваемый СВ, — L (м3/ч). Количество тепла, которое необходимо подать на границу разделамежду наружным и приточным воздухом для нагрева поступающего воздуха за время работы СВ, можно определить как:

где — плотность воздуха, кг/м3;
L— расход наружного воздуха, м3/ч;
I1 — удельная энтальпия приточного воздуха, кДж/(кг . с.в.);
I2 — удельная энтальпия наружного воздуха, кДж/(кг . с.в.);
Q — количество тепла, необходимое для нагрева наружного воздуха за время работыСВ, кВт . ч;
Т — время работы СВ, ч.

Если СВ в течение отопительного периода работает круглосуточно (Т = Тотоп), то для расчета энергопотребления, необходимого на нагрев наружного воздуха, можно воспользоваться другим методом расчета — i–d-диаграммой и таблицей средней продолжительности температуры воздуха различных градаций в часах для конкретного населенного пункта [1]. Например, СВ с расходом воздуха L = 1000 м3/ч в условиях климата г. Сыктывкара на нагрев наружного воздуха до температуры 18 °С за отопительный период необходимо Q = 48 575 кВт . ч тепловой энергии (табл. 1).

То есть для фиксированной температуры приточного воздуха и промежутка времени работы СВ, равного отопительному периоду, количество тепла, необходимого для нагрева наружного воздуха в условиях климата Сыктывкара прямопропорционально расходу наружного воздуха, тогда выражение (2) можно представить в виде:

где Кq — коэффициент пропорциональности, [(кВт . ч/м3) . ч];
Q — среднее количество тепла, необходимого для нагрева наружного воздуха в течение отопительного периода для СВ с расходом наружного воздуха L, кВт . ч.

Определим коэффициент пропорциональности для различных температур приточного воздуха (табл. 2). Как следует из многолетних метеорологических наблюдений [2], основное потребление энергии — до 85,4 % — приходится на январь, февраль, март, октябрь, ноябрь и декабрь (табл. 3) с разницей между дневным и ночным периодом суток в 2 %, поэтому можно считать потребление тепловой энергии СВ в течение суток во время отопительного периода равномерным.


Поделим правую и левую часть выражения (2) на количество часов отопительного периода (Тотоп), тогда среднее почасовое потребление тепловой энергии Q’ = Q/Тотоп за отопительный период будет составлять:

где Тотоп — отопительный период, ч; Q’ — среднее почасовое количество тепла (кВт . ч), необходимого для нагрева наружного воздуха за отопительный период для СВ с расходом наружного воздуха L, м3/ч.

Следовательно, в условиях климата Сыктывкара на нагрев 1 м3/ч наружного воздуха до температуры 20 °С, в среднем в течение отопительного периода (в нашем примере это 5856 ч) потребуется тепловой энергии Q’ = 52,534/5856 = 8,97 . 10-3 кВт . ч.

Если обозначить Кq’ = Кq/Тотоп, то выражение (2) будет иметь вид:

Для того, чтобы учесть использование вторичных энергетических ресурсов, количество тепловой энергии, подаваемой на границу раздела между наружным и приточным воздухом, представим в виде:

где Qпр — количество тепла, получаемого при прямом нагреве наружного воздуха;
Qвт — количество тепла, получаемого за счет вторичных энергетических ресурсов.
Введем коэффициент использования вторичных энергетических ресурсов, равный:

где — коэффициент утилизации (например, для пластинчатого утилизатора
= 50 %, роторного — = 80 %), %.

Тогда количество тепла Qвт, получаемого за счет тепловых вторичных энергетических ресурсов, в общем потреблении энергии, необходимой на нагрев наружного воздуха, будет составлять:

Учитывая, что заказчик оплачивает расход энергии только на прямой нагрев:

подставив в (8) выражения (4) и (7), получим:

Если отопительный период разбить на режим работы офиса — рабочее и нерабочее время, то

где Тр — время работы офиса в течение отопительного периода, Тн — нерабочее время.

Если в (10) применить выражение (9), получим, что

Пусть расход воздуха в рабочее время суток составляет L = Lр, а в нерабочее L = Lн тогда:

Если Lр = КL . Lн, то

где КL’ = 1/КL — коэффициент пропорциональности расхода наружного воздуха в рабочее и нерабочее время или:


Качество воздуха в помещении существенно зависит от воздухообмена в нерабочее время, т.н. Фоновой вентиляции [3, 4]. Будем подразумевать под фоновой вентиляцией воздухообмен, достаточный для предотвращения образования химических соединений на высокоразвитых поверхностях в помещениях, внутри СКВ и СВ и удаления вредных веществ из помещения. Сравним энергопотребление различными СВ в одинаковых условиях (КL’, Кq) за отопительный период. Для этого введем обозначение:

тогда

Пусть есть две СВ с потреблением тепловой энергии Q1пр и Q2пр. Разница в потребности тепла, необходимого для нагрева наружного воздуха за отопительный период, составит:


Если рассматривать системы вентиляции с переменным расходом воздуха, одна из которых прямоточная (1’ = 0), а вторая — с утилизацией удаляемого воздуха, то экономия энергии за отопительный период составит:

Сравнивая между собой системы вентиляции с естественным побуждением (1’ = 0, КL’ = 1) и утилизацией удаляемого воздуха, экономию энергии в течение отопительного периода можно вычислить по следующей формуле:


Пример
Предположим, что в г. Сыктывкаре есть некое помещение, непроницаемое для воздуха, где регулируемая система отопления поддерживает температуру равную 20 °С. Необходимо обеспечить расход наружного воздуха в объеме Lр, фоновую вентиляцию Lн = 0,25. Lр при условии восьмичасового рабочего дня и пятидневной рабочей недели.

Tемпература приточного воздуха -20 °С, т.е. Кq = 52,534 [(кВт . ч/м3) . Ч].

Отопительный период Тотоп = 5856 ч;
рабочее время Тр = 1301 ч; нерабочее время Тн = 4555 ч; коэффициент утилизации = 80 % или  ’ = 0,8.
Кобщ = 21,887 [(кВт . ч/м3) . ч].
Экономия энергии за отопительный период для СВ с утилизацией удаляемого воздуха по отношению к прямоточной системе используя выражение (17) составит:

а СВ с утилизацией удаляемого воздуха по отношению к СВ с естественным побуждением:

Если расчетное потребление тепловой энергии, необходимой на прямой нагрев наружного воздуха СВ с естественным побуждением (КL’ = 1, ’ = 0), принять за 100 %, то расчетный расход тепловой энергии различными системами вентиляции относительно ее (14) составит:

• для механической прямоточной с переменным расходом воздуха — 41,67 %;
• для механической с 50 %-ой утилизацией удаляемого воздуха и переменным расходом воздуха — 20,83 %;
• для механической с 80 %-ой утилизацией удаляемого воздуха с переменным расходом воздуха — 8,33%.

Для интереса посчитаем, какое количество энергии (кВт . ч) будет затрачено различными системами вентиляции для обеспечения воздухом одного рабочего места за 10 лет эксплуатации. Примерное потребление тепловой энергии для прямого нагрева наружного воздуха на одно постоянное рабочее место, приняв расход наружного воздуха в рабочее время Lр = 60 м3/(ч . чел), а в нерабочее время Lн = 15 м3/(ч . чел), составит:

• системой с естественным побуждением — 31 520,40;
• механической прямоточной с переменным расходом воздуха — 13 132,20;
• механической с 50 %-ой утилизацией удаляемого воздуха с переменным расходом воздуха — 6566,10;
• механической с 80 %-ой утилизацией удаляемого воздуха с переменным расходом воздуха — 2626,44.

Уже сейчас существуют объективные предпосылки к изменению сегодняшних нормативов расхода наружного воздуха, т.к. до сих пор мы при расчетах закладываем цифры, которые были адекватны много лет назад. Сегодня совершенно другие строительные технологии, конструкции и отделочные материалы, да и качество наружного воздуха оставляет желать лучшего. Например, Ю.Д. Губернский, проведя ряд исследований в этом направлении, пришел к результату [5] необходимости увеличения планки оптимального воздухообмена до 200 м3/(ч . чел).

Рассмотрим различные расходы воздуха: 60, 90 и 120 м3/(ч . чел), при фоновой вентиляции до 25 %. Предположим, что одна из этих величин может быть принята как будущий норматив (в том, что она изменится в большую сторону и произойдет это относительно скоро, сомнений практически нет). Просчитаем (18) экономию тепловой энергии (кВт . ч), необходимой для прямого нагрева наружного воздуха за 10 лет эксплуатации на одно постоянное рабочее место, для СВ с утилизацией удаляемого воздуха с коэффициентом рекуперации 80 % относительно СВ с естественным побуждением или механической прямоточной системой с постоянным расходом воздуха (КL’ = 1, ’ = 0):

• при 60 м3/ч на человека — 28 893,96;
• при 90 м3/ч на человека — 43 340,94;
• при 120 м3/ч на человека — 57 787,92.

Из (13) или (14) следует, что снижение энергопотребления СВ без уменьшения расхода наружного воздуха (при обеспечении надлежащего качества воздуха в помещении) возможно за счет утилизации тепловой энергии.

Полную стоимость климатической системы можно выразить как:

где i = 0, …, Т;
Скап — стоимость величины единовременных затрат;
Тэкспл — расчетный срок эксплуатации климатической системы, лет;
Zi — ежегодный тариф за кВт . ч тепловой энергии за время эксплуатации установки;
Сi — стоимость остальных эксплуатационных затрат.

Представим себе две системы с полной стоимостью С1пол и С2пол, с условием, что через 10 лет эксплуатации С1пол будет равна С2пол, т.е.:


Допустим, что в обоих случаях выбирается вентиляционное оборудование одного класса или, например, одного производителя. Тогда можно считать что



Учитывая (19) и прогнозируя повышение тарифов на тепловую энергию один раз в год и только на 10 % (это очень оптимистичное предположение, на самом деле реальное повышение тарифов может быть существенно больше), средняя цена за 10 лет эксплуатации составит Zср = 0,64 руб/кВт . ч тепловой энергии (табл. 4).

Вычислим единовременные затраты на СВ с переменным расходом воздуха, сравнение проведем между системой с 80 %-ой утилизацией удаляемого воздуха и прямоточной системой за 10 лет эксплуатации (Тэкспл = 10 лет).


т.е. разница затрат только на нагрев 1 м3/ч наружного воздуха за 10 лет эксплуатации составит не менее 112 руб.!
Преобразуем уравнение (24):

Обозначим Кс = С1кап/С2кап, тогда:


Пусть величина Кс принимает значение 0 ≤ Кс ≤ 1; при Кс = 0, С1кап = 0.


Эту же точку можно считать точкой отсчета в сравнении между вентиляцией с утилизацией удаляемого воздуха относительно системы с естественным побуждением (20).


При Кс = 1 или С2кап = С1кап СВ с утилизацией удаляемого воздуха с момента ввода ее в эксплуатацию (Т = 0) приносит доход относительно прямоточной системы.

При 0 < Кс < 1 если известны С1кап и С2кап (например, из коммерческих предложений), то из уравнения (28) можно определить срок окупаемости СВ с утилизацией удаляемого воздуха относительно прямоточной системы:


Рассмотрим следующий пример:
Пусть система воздухораспределения для прямоточной СВ и системы с утилизацией удаляемого воздуха в одних и тех же помещениях одинаковая. Проектировщик предоставил заказчику результат расчета воздухообмена —
Lр = 10 000 м3/ч при
А1 = (Lр - Lmin)/Lmin = 0,
где Lmin — нормативный расход наружного воздуха. Заказчик подтвердил, что данный воздухообмен его устраивает и определил режим работы СВ — КL’ = 0,25. Проектировщик предоставил заказчику технические характеристики необходимого оборудования.

Изучив рынок, заказчик установил, что стоимость вентиляционного оборудования с техническими характеристиками, обозначенными проектировщиком, для прямоточной СВ, которая относится к классу энергоэффективного оборудования, по сравнению с системой утилизации удаляемого воздуха, в два раза ниже.

Условно С1кап = 561 000 руб., а С2кап = 1 122 000 руб.

Совместно с заказчиком определяем, что расчетный срок эксплуатации системы составит, например, 10 лет (Тэкспл = 10 лет). При равных затратах (24) стоимость единовременных затрат на приобретение системы с утилизацией удаляемого воздуха должна составить:


Данную величину можно считать обоснованием для выделения финансовых средств под оборудование для внедрения энергоэффективных систем вентиляции, так как величина:

носит для заказчика характер неизбежных затрат. Но энергоэффективная установка с коэффициентом рекуперации
= 80 %, производительностью 10 000 м3/ч, с программно настраиваемым расходом воздуха в течение суток с шагом в 200 м3/ч, независимо как приточного вентилятора, так и вытяжного, реально стоит не более 1 122 000 руб.

Тогда срок окупаемости (рис. 1) системы вентиляции с утилизацией удаляемого воздуха относительно прямоточной системы (30) составит:


Используя выражения (15) и (21) можно рассчитать, что за 10 лет эксплуатации полная стоимость прямоточной СВ по отношению к СВ с 80 %-ой утилизацией удаляемого воздуха

составит:
— разница больше полумиллиона рублей!

При этом обратите внимание заказчика, что мы в расчеты закладывали минимально возможное повышение тарифов на энергоносители, а если за время эксплуатации системы они будут расти более чем на 10 % в год, то можно считать сумму Скап = 561 000 руб. гарантированно выгодным вложением — за 10 лет процент прироста составит более чем 8% годовых. Конечно, у нас нет права принимать окончательное решение, но согласитесь, что яркие доводы и аргументированные факты и расчеты, приведенные нами, способны убедить заказчика отдать предпочтение более эффективной системе вентиляции.

Литература
1. Справочное пособие к СНиП. Строительная климатология.Научно-исследовательский институт строительной физики Госстроя СССР.
2. Под ред. д.г.н. Швер Ц.А. Климат Сыктывкара. — Л.: Гидрометиоиздат, 1986.
3. ТР АВОК 4-2004. Технические рекомендации по организации воздухообмена в квартирах многоэтажного жилого дома. — М.: АВОК-Пресс, 2004.
4. Ливчак И.Ф., Наумов А.Л. Вентиляция многоэтажных жилых зданий (текст). — И.Ф. Ливчак, А.Л.Наумов. — М.: АВОК- Пресс, 2005.
5. Губернский Ю.Д. Экологические аспекты кондиционирования воздуха // М-лы Международного форума по проблемам проектирования и монтажа систем отопления, вентиляции, кондиционирования воздуха и охлаждения. HEAT&VENT’2003 Moscow, Москва 2003. — ITE Group PLC.