Системы отопления, вентиляции и кондиционирования

Системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха в хорошо изолированных зданиях

Ввиду низкой потребности в отоплении помещений в энергоэффективном здании она может быть удовлетворена путем вентиляционного нагрева. Так, например, максимальная мощность, необходимая для отопления помещений в «пассивном» здании составляет 10–15 Вт/м2, что соответствует 1,0–1,5 кВт общей мощности, необходимой для нагрева участка обработанной поверхности площадью 1 м2. В этом случае использование обычной системы отопления, основу которой составляют радиаторы или теплый пол, не требуется. Обогрев помещений может быть обеспечен посредством вентиляции.

Существуют два варианта альтернативных решений:

  • нагрев поступающего воздуха может осуществляться централизованно непосредственно после его выхода из вентиляционной установки или
  • нагрев поступающего воздуха может осуществляться отдельно для каждого помещения на конечном участке вентиляционной системы.

В первом случае обеспечивается одинаковая температура воздуха, подаваемого в каждое помещение. Во втором случае может осуществляться регулирование температуры воздуха отдельно для каждого помещения.

В энергоэффективном здании с хорошей теплоизоляцией оболочки достижение требуемого теплового комфорта возможно при более низких уровнях температуры в помещениях. Целевой уровень температуры в помещениях, закладываемый в процессе проектирования, в общем случае составляет 20–21°C.

Применение подогреваемого пола целесообразно в ванных комнатах, поскольку это обеспечивает требуемый комфорт и быстрое высыхание пола. Тем не менее, во избежание перегрева, температура пола должна поддерживаться на более низком уровне, чем при нормальном напольном отоплении. Температура пола должна быть всего на 1-3°C выше температуры воздуха. В других помещениях следует избегать применения подогреваемого пола для обогрева больших площадей.

Величина перепада температуры воздуха в помещениях по вертикали на высоте от 0,1 до 1,1 м (т.е. от щиколотки до шеи сидящего человека) должна быть не более 2°C.

«Пассивное» отопление с использованием солнечной энергии является одной из составляющих системы отопления «пассивного» дома. Поскольку температура воздуха в различных помещениях меняется в зависимости от тепловой нагрузки, от солнечного излучения, а также внутренних тепловых нагрузок, рекомендуется применение систем регулирования температуры, специально проектируемых для конкретного помещения. В случае «пассивного» дома требуется более короткий отопительный период по сравнению с обычным домом. Уже в самом начале весны тепловая нагрузка от солнечного излучения может вызвать чрезмерный нагрев воздуха в помещениях. Вследствие этого для исключения потребности в охлаждении может оказаться полезным применение перепускного канала в обход теплового ввода.

Таким образом, требуемое конструктивное решение должно обеспечивать охлаждение помещений с использованием «пассивных» средств. Такое решение должно включать применение экранирующих окон, ночное охлаждение с использованием вентиляции, а также эффективную вентиляцию в течение дня (см. рисунок). Забор компенсационного воздуха для вентиляции может осуществляться с северной стороны дома. Для подогрева приточного воздуха зимой и охлаждения летом можно использовать почвенное тепло. Подогрев приточного воздуха зимой снижает риск охлаждения, связанный с вводом тепла в вентиляционную систему, и повышает коэффициент использования энергии.

Наиболее эффективными из «пассивных» средств охлаждения помещений являются солнцезащитные окна и светонепроницаемые шторы, устанавливаемые перед окнами.


Reduction in cooling


При выборе каминов следует обратить внимание на их размер, поскольку ввиду низкой потребляемой тепловой мощности пассивного дома, отдаваемая тепловая мощность камина также должна быть низкой. Резервная тепловая мощность и отдаваемая тепловая мощность камина напрямую связаны с массой камина.

Кратность воздухообмена и регенерация тепла

Согласно строительным нормам и правилам обычно требуется поддержание минимальной кратности воздухообмена в диапазоне 10–15 л/с на человека, что при нормальной плотности персонала в административных зданиях составляет приблизительно 1 л/с на м2, тогда как в жилых зданиях кратность воздухообмена составляет 0,5 единиц в час.

В качестве примера ниже представлены численные значения кратности воздухообмена для офисов в зависимости от уровней загрязнения, условно подразделенных три категории (согласно стандарту CEN 1752)


Категория  Только жильцы/офисный персонал Материалы с низким уровнем загрязнения  Материалы с высоким уровнем загрязнения 
   л/см2 л/см2 л/см2 
 A 1.0 2.0  3.0 
 B 0.7  1.4  2.1 
 C 0.4  0.8  1.2 


При определении кратности воздухообмена в качестве альтернативного показателя может использоваться концентрация углекислого газа, однако результаты определения на его основе не могут считаться точными, поскольку концентрация CO2 в зданиях редко достигает стабильного состояния ввиду изменений расчетного числа людей в здании, кратности воздухообмена и концентрации наружного воздуха. Расчет установившихся значений концентрации двуокиси углерода может производиться исходя из количества вырабатываемого CO2 на человека в административных зданиях, равного 0,00567 л/с.

Ввиду высокой плотности энергии в отходящем воздушном потоке регенерация тепла является наиболее экономически целесообразным способом снижения энергопотребления и затраты на эксплуатацию системы вентиляции. Возможность практической реализации процесса регенерация тепла повышается при высоких величинах расхода воздуха и низких температурах наружного воздуха. Существует также возможность установления предельных уровней минимальной эффективности регенерации тепла и размеров системы кондиционирования воздуха, в которой осуществляется регенерация тепла. Действующие на сегодняшний день строительные нормы и правила требуют обеспечения годовых показателей эффективности регенерация тепла в диапазоне 30–40 %. Для «пассивных» зданий годовой показатель эффективности должен составлять не менее 75 %. При уровнях тепловых потерь, соответствующих указанной эффективности, современные теплообменники обеспечивают возможность достижения значений коэффициента регенерации до 90 %. Тем не менее, в холодных климатических условиях показатели эффективности оказываются ниже ввиду необходимости размораживания и удаления льда из теплообменника.

Для предотвращения замерзания теплообменника может осуществляться подогрев свежего приточного воздуха перед его подачей в тепловой ввод. Применение грунтового теплообменника для подогрева приточного воздуха позволяет снизить или даже полностью исключить потребность в размораживании. Применение подпочвенных воздушных теплообменников в холодных климатических условиях не рекомендуется из-за возможной конденсации влаги и проблем с обеспечением соответствия санитарным требованиям. Система на основе грунтового контура с теплообменником для подогрева приточного воздуха успешно прошла испытания в рамках пилотного проекта «пассивного здания» компании Paroc.

В системе, включающей теплообменник, насос и скважинный или наземный трубопровод, целесообразно использовать почвенное тепло или холод, соответственно, для нагрева или охлаждения жидкости, циркулирующей в наземном трубопроводе. Длина трубопровода или глубина скважины зависят от требуемой величины потребляемой мощности на нагрев или охлаждение. Тепловая мощность, отдаваемая горизонтальным подземным трубопроводом составляет 10–20 Вт/м.

Изоляция систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха

В современных зданиях с высокой воздухонепроницаемостью и низким энергопотреблением системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (ОВКВ) приобретают все более важное значение. Температуры нагрева и охлаждения воздуха и воды должны поддерживаться на требуемом уровне до достижения заданного пункта назначения; любые последствия нагрева или охлаждения в результате непредусмотренных тепловых потерь должны устраняться с помощью вентиляции, что вызывает дополнительное потребление энергии.

По этой причине необходимо осуществлять контроль не только конечной температуры, но также и текущих тепловых потерь. Даже при очень значительных изменениях конечной температуры тепловые потери могут быть очень существенны.

Пример расчета: 

Температура и тепловые потери в вентиляционном канале

Размер:  315 мм 
Длина:  30 мм 
Температура воздуха:  20°C 
Скорость движения воздуха:  3 м/с
Температура окружающего воздуха 6°C 

Изоляция Потери тепла, Вт  Конечная температура, °C 
Без изоляции 2607  12.9 
80 мм 226  19.3 
150 мм  143  19.5 

Трубы, составляющие неотъемлемую часть систем ОВКВ, должны быть изолированы для снижения потребления энергии и эксплуатационных затрат. Теплоизоляция необходима для поддержания температуры воды в трубах в установленных пределах.          

Пример расчета:

Тепловые потери в трубе горячего водоснабжения

Размер:  22 mm 
Температура воды:  55°C 
Температура окружающего воздуха 20°C 

 

Изоляция

λ,

Вт/м°C 

Толщина изоляции Потери тепла,
Вт/м 

Потери тепла,  кВт/м, в год 

Без изоляции  - 0 мм  40 350 
PAROC Hvac Section  0.035 20 мм   6.0 52
PAROC Hvac Section  0.035 40 мм  4.5 39
PAROC Hvac Section  0.035 60 мм  3.8 33

Кроме того, эффективная теплоизоляции необходима также для предотвращения конденсации и снижения затрат на эксплуатацию холодильных установок. В общем случае, снижение температуры на один градус обходится в три раза дороже по сравнению с увеличением температуры на один градус.

Поддержание температуры на определенном уровне также важно с точки зрения охраны здоровья. Чрезмерное понижение температуры воды в системах горячего водоснабжения приводит к повышению риска распространения заболеваний (например, понтиакской лихорадки или легионеллеза). Благоприятные условия для роста бактерий легионеллы соответствуют температурам от 25 до 45 °C, а самой оптимальной для них является температура 35 °C.

При выборе изоляции для своего проекта используйте специальную расчетную программу, предлагаемую компанией Paroc.