Авторы Ю.Я. КУВШИНОВ, д.т.н., Д.Н. ЗИНЧЕНКО, инженер, МГСУ

Российский инженер В.Я. Яхимович (1875-1942) предложил в 1911 г. систему отопления с греющими элементами из труб, заделанными в бетонное тело строительных конструкций. Эта система, известная в нашей стране как панельно-лучистая, получила достаточно широкое применение в последние 25 лет благодаря использованию пластиковых труб. Не обсуждая преимущества этой системы в сравнении с приборными системами отопления, отметим одно обстоятельство, существенно дополняющее эти преимущества. Оно состоит в возможности использования системы в теплое время года для охлаждения помещения. При этом водяное лучисто-конвективное охлаждение помещений по многим критериям превосходит традиционное воздушное конвективное охлаждение.

Как известно, в теплое время года, помимо конвективного тепла в помещение поступают большие лучистые тепловые потоки, прежде всего, от солнечной радиации. Если избытки конвективного тепла быстро ассимилируются охлажденным воздухом, то лучистое тепло накапливается в ограждениях, и это приводит к их существенному разогреву. При наличии в помещении развитой поверхности охлаждения она включается в лучистый теплообмен, что приводит к понижению радиационной температуры помещения, а следовательно — улучшению комфортности тепловой обстановки в нем. Необходимость вентилирования помещения, а также осушки внутреннего воздуха в теплое время года и его увлажнения в холодное, предполагает наличие в помещении системы вентиляции.

Представляется целесообразным обеспечивать параметры микроклимата в помещении двумя системами: панельно-лучистого отопления-охлаждения (СПЛО) и кондиционирования воздуха (СКВ). В теплое время года система водяного охлаждения работает как фоновая круглосуточно, а воздушная СКВ — только в течение рабочей смены. При этом практически безинерционная СКВ рассчитана на покрытия пиковой холодильной нагрузки. Такое сочетание ощутимо повышает экономическую и энергетическую эффективность обеспечения микроклимата.

Известно, что воздушные системы из-за малой плотности воздуха расходуют большое количество электроэнергии на очистку и тепловую обработку воздуха в кондиционерах, а также его транспортировку по вентиляционным каналам. СПЛО снимает существенную часть холодильной нагрузки на СКВ, что позволяет уменьшить расход приточного воздуха в системе, доводя его до санитарной нормы. Так как расход энергии на перемещение замещающего количества воды несопоставимо мал, возникает экономия энергии.

Теоретически снижение расхода энергии вентиляторами пропорционально отношению расхода воздуха в кубе. При совместном действии СКВ и СПЛО понижается суммарная установочная холодильная мощность двух систем по сравнению с одной СКВ. Это происходит за счет круглосуточной работы фоновой СПЛО. Уменьшение установочной мощности означает уменьшение стоимости холодильной установки. Следует отметить, что в рассматриваемом варианте не происходит уменьшения суточного расхода холода двумя системами, а наоборот расход увеличивается. Возрастание суточного расхода холода обусловлено снижением радиационной температуры помещения за счет лучистого охлаждения поверхностей, т.е. лучшим качеством микроклимата.

Можно избежать этого перерасхода, если повысить температуру воздуха в помещении. При компенсирующем понижении радиационной температуры, компенсирующем повышение температуры воздуха, результирующая температура помещения останется неизменной, а следовательно, не произойдет ухудшения комфортности тепловой обстановки.

К перечисленным преимуществам панельно-лучистого охлаждения следует прибавить то, что отопление и частично охлаждение помещения осуществляется одной системой, к тому же имеющей хорошие эксплуатационные качества.

Конструктивно системы панельно-лучистого отопления-охлаждения представляют собой греющий/охлаждающий контур из толстостенных пластмассовых труб, заложенных в тело ограждающей конструкции или прикрепленных к ней. Существующие в настоящее время технические средства разрешают конструировать множество схем размещения и устройства трубопроводов в панелях систем отопления-охлаждения.

Как правило, системы делятся на потолочные, стеновые и напольные (рис. 1). Для целей охлаждения предпочтение следует отдавать потолочным и стеновым панелям.

В отличие от систем панельно-лучистого отопления, использование систем панельного охлаждения не нашло пока достаточного обоснования. Сказанное относится прежде всего к рассмотрению гигиенических аспектов. В достаточно многочисленных исследованиях гигиенистов и инженеров, обобщенных например в [1,2], приводятся данные оценки комфортности тепловой обстановки применительно к обогреву помещения. В то же время отсутствуют в явном виде сведения о радиационном балансе организма человека при панельно-лучистом охлаждении.

Освещая основной вопрос — о допустимой температуре охлажденной поверхности — авторы публикаций рекомендуют принимать ее несколько выше температуры точки росы. Последняя величина может быть определена по приближенной формуле:
tmp = 0,29 .ϕв +0,93 . tв -24, °C,
где ϕв — относительная влажность внутреннего воздуха, %;
tв — температура внутреннего воздуха, °С.

Формула справедлива в пределах температуры внутреннего воздуха 22-26 °С и относительной влажности 40-60%.

Проиллюстрируем изложенные выше соображения конкретными примерами.

Суточный режим работы фоновой СПЛО совместно с СКВ рассмотрим для офисного помещения площадью 144 м2, работающего 9 ч в сутки (с 9 до 18 ч) в расчетных климатических условиях Москвы. Наружные ограждения ориентированы на юго-запад. В помещении постоянно находятся 50 человек. В течение рабочей части суток в помещении обеспечивается температура воздуха 24 °С. Расчеты тепловой нагрузки на системы проведены в соответствии с [3]. На рис. 2 линией 1 показано изменение по часам работы тепловой нагрузки по явному теплу на конвективную систему (СКВ) QC1 для случая работы одной этой системы только в рабочее время (вариант 1).

Линии 2-7 на рис. 2 соответствуют варианту 2 совместной работы двух систем:фоновой СПЛО, действующей круглосуточно, и СКВ, работающей только в рабочую смену. Линия 2 показывает изменение тепловой нагрузки QC2 на СКВ в случае, когда холодильная мощность фоновой системы QФ (линия 5 на рис. 2) составляет 10% от средней за смену нагрузки на СКВ в варианте 1:
QC1 = -7640 Вт;
(QФ = QФ/QC1 (= 0,1).

Линия 3 на рис. 2 соответствует QC2 при соотношении нагрузки QФ = 0,25 (изменение QФ — линия 6), а линия 4 показывает изменение QC2 для случая QФ = 0,4 (QФ — линия 7).

Из рис. 2 видно, что величина тепловой нагрузки на СКВ уменьшается по мере возрастания, а при QФ = 0,4 в течение части рабочего времени СКВ вообще не потребляет холод, т.е. помещение достаточно охлаждено действием фоновой СПЛО.

Наибольшая величина тепловой нагрузки на СКВ (установочная мощность) приходится в обоих вариантах на последний час работы. В первом варианте максимальная величина QC1 = -8750 Вт, а суммарная максимальная нагрузка на две системы во втором варианте при QФ = 0,1:
QC2 + QФ = -6929 - 764 = -7980 Вт;
при QФ = 0,25:
QC2 + QФ = -4917 - 1909 = -6830 Вт
и при QФ = 0,4:
QC2 + QФ = -2614 - 3056 = -5670 Вт.
Соответственно снижение установочной мощности во втором варианте составляет от 8,8 до 35% по сравнению с вариантом 1.

Снижение нагрузки на СКВ во втором варианте позволяет уменьшить расчетный воздухообмен в помещении. Расчетная величина расхода приточного воздуха при QC1 = -8750 Вт и перепаде температуры уходящего и приточного воздуха t = 5 °С составляет G = 6300 кг/ч. Расход воздуха по санитарной норме (60 м3/ч на 1 человека) составляет 3600 кг/ч. При той же разности температуры такое количество воздуха может покрыть нагрузку QC2 = -5000 Вт. Из условия обеспечения рабочей температуры воздуха в помещении 24 °С нагрузка на фоновую СПЛО должна составлять QФ = -1870 Вт (QФ = 0,245).

Сокращение воздухообмена позволит сократить теоретический расход электроэнергии на перемещение воздуха вентилятором на 80% (в течение всего года). Говоря о сокращении расхода приточного воздуха, следует учитывать ограничения, связанные с необходимостью осушки приточного воздуха в теплое время года. Это обстоятельство может несколько подкорректировать выводы о энергетической эффективности СПЛО.

Использование СПЛО приводит к снижению радиационной температуры. Более глубокое охлаждение помещения в этом случае сопровождается перерасходом потребляемой за сутки суммарной мощности системами, которая в варианте 2 оказывается больше, чем в варианте 1 на 20-40%. Перерасход можно уменьшить, допустив повышение температуры внутреннего воздуха в рабочее время.

Рассмотрим случай, когда в вариантах 1 и 2 поддерживается одинаковая средняя за рабочее время температура помещения (вариант Б), а не температура воздуха (вариант А). Опираясь на мнение гигиенистов, в этом случае можно говорить о равноценном уровне комфортности тепловой обстановки в помещении. Результаты расчетов холодильной мощности для вариантов показывают, что при сохранении мощности СПЛО на том же уровне тепловая нагрузка на СКВ снижается по сравнению со случаем обеспечения равенства температуры воздуха в помещении.

Так при QФ = 0,1 снижение средней за рабочее время тепловой нагрузки на СКВ для варианта Б в сравнении с вариантом А равно 6%, а при QФ = 0,25 это снижение возрастает до 25%. При этом температура воздуха в рабочее время в варианте Б увеличится на 0,6 °С и 1,4 °С соответственно величине QФ = 0,1 и 0,25. Суммарное суточное потребление холодильной мощности в вариантах 1А и 2Б оказывается одинаковым, а уменьшение установочной суммарной холодильной мощности в варианте 2Б составляет 12% и 30% для QФ = 0,1 и 0,25.

Уменьшение расчетной тепловой нагрузки на СКВ, определяющей величину воздухообмена в помещении, в варианте 2Б по сравнению с вариантом 1Б составляет 4% и 12%, а в сравнении с вариантом 1A 20% и 52% соответственно величинам QФ = 0,1 и 0,25.

Это позволяет сократить воздухообмен в помещении до минимально необходимого по санитарной норме. В этом случае величина QФ = 0,21, нагрузка на круглосуточную СПЛО QФ = -1600 Вт, а средняя за рабочее время нагрузка на СКВ QC2 = -4030 Вт. Снижение установочной холодильной мощности по сравнению с вариантом 1A составляет 25%.

Приведенные данные свидетельствуют о высокой энергетической эффективности лучисто-конвективного охлаждения помещений в теплое время года. Учитывая совмещение функций отопления и охлаждения в одной системе, можно говорить также и о экономической эффективности системы, представляющей хорошую альтернативу традиционным способам воздушного охлаждения помещений. ■

Литература
1. Крум Д., Робертс Б. Кондиционирование воздуха и вентиляция. Перевод с англ. // М.:Стройиздат, 1980.
2. Банхиди М. Тепловой микроклимат помещений. Перевод с венг. // М.:Стройиздат, 1981.
3. Калмаков А.А, Кувшинов Ю.Я. и др. Автоматика и автоматизация систем теплогазоснабжения и вентиляции. М.:Стройиздат, 1986.