Вентиляция, отопление и охлаждение зала ресторана

В ресторане, где во главу угла поставлены качество воздуха и тепловой комфорт, современные технологические решения обусловили результат, предлагаемый теперь посетителям в качестве модели для подражания, - результат, ставший возможным благодаря стремлению заказчика к интеграции в окружающую среду, а проектировщика к применению новейших технологических достижений.

Для кондиционирования микроклимата ресторанного зала применены напольные панели отопления-охлаждения и вентиляция вытесняющего типа.

К основным причинам, обусловившим такое решение, можно отнести:

• целесообразность исключения перемешивания воздуха в объеме помещения, особенно когда многие посетители курят (по просьбе заказчика);
• необходимость достижения круглогодичного комфорта, который может быть обеспечен правильным распределением нагрузки между панельной и воздушной системами и с учетом конвективных тепловых струй от внутренних источников;
• стремление к экономии энергоресурсов при использовании эффекта расслоения внутреннего воздуха на две зоны, свойственное системам данного типа и предоставляющего возможность кондиционировать только нижнюю часть объема помещения.

Следует иметь в виду, что при вентиляции вытеснением приточный воздух подается в помещение снизу с небольшой скоростью и температурой ниже температуры внутреннего воздуха. Таким образом нагретый и загрязненный воздух выталкивается вверх, а свежий и чистый занимает нижнюю зону помещения. Такой способ вентиляции организует формирование двухслойной стратификации воздуха, когда разделительный слой (температурное перекрытие) располагается на высоте от 110 до 180 см от пола.

В описываемом случае температурное перекрытие принято на высоте около 160 см, что объясняется ограниченностью высоты рабочей зоны, так как в зале ресторана большинство посетителей - это сидящие за обеденным столом люди. Медленное перемещение воздуха от воздухораспределителей к вытяжным решеткам, установленным в верхней части ресторанного зала, обеспечивается за счет тепла поверхностей, с которыми соприкасается воздушная масса (люди, стены, холодильники и проч.). Проект системы разработан таким образом, что конвективное движение, обусловленное теплом посетителей ресторана, уравновешено соответствующим расходом приточного воздуха, составляющим на одного человека около 45 м³/ч (12,5 л/с).

Во избежание дисбаланса между расходом приточного воздуха и скачкообразно изменяющейся нагрузкой (заполняемость ресторана значительно различается в зависимости от времени суток и дня недели) в системе используется автоматическое регулирование с помощью трехскоростного вентилятора (описание системы ступенчатого регулирования приводится ниже). Необходимость в повышении расхода воздуха по мере увеличения числа посетителей в обеденном зале вызвана стремлением поддерживать постоянную высоту температурного перекрытия, связанную с конвективным теплообменом посетителей, а также компенсировать соответствующие повышения температуры и влажности воздуха.

Следствием недостаточного притока воздуха могут стать неприятные шлейфы воздушной массы, образовавшейся из смеси чистого воздуха и загрязненного табачным дымом и запахами пищи. Чересчур интенсивный приток воздуха ведет к перерасходу энергоресурсов и создает дискомфорт из-за расширения зоны с повышенными подвижностями воздуха вокруг воздухораспределителей (повышенной считается скорость, превышающая или равная 0,2 - 0,3 м/с). В летний период температура воздуха на выходе из воздухораспределителя составляет около 20°С (при внутреннем с температурой 26°С и относительной влажностью 50 %).

Рисунок 1. Расположение приточных воздухораспределителей и вытяжных решеток в помещении. Красным цветом выделены вытяжные воздуховоды (сверху), синим - приточные (внизу)

Рабочая разность температур между подаваемым и внутренним воздухом в 6°С обеспечивает компенсацию максимальной расчетной нагрузки, хорошую очистку воздуха в обеденном зале и практически полное отсутствие неприятных воздушных шлейфов. В зимний период при температуре внутреннего воздуха по сухому термометру 20°С и при его относительной влажности 40 % приточная система используется исключительно для вентиляционных целей с параметрами притока, близкими к параметрам внутреннего. Это объясняется тем, что перегрев приточного воздуха приведет к уменьшению своей плотности по сравнению с плотностью внутреннего и вызовет мгновенный его подъем к вытяжным решеткам, что вредно вдвойне: во-первых, понапрасну расходуются энергоресурсы, во-вторых, перемешиваются нижний и верхний слои воздуха.

Отопление ресторана в зимний период целиком обеспечивается напольными панелями. Что касается совместной работы системы панельного отопления-охлаждения с вентиляционной системой, то, если не считать необходимости ограничивать влажность внутреннего воздуха во избежание образования конденсата на охлажденных панелях, между ними существует позитивное взаимодействие, в особенности на этапе летнего охлаждения.

На самом деле медленное движение воздуха, выходящего из воздухораспределителей на уровне пола, повышает эффективность теплообмена панели. Такое воздействие ощущается даже без сложной измерительной аппаратуры. В рассматриваемом ресторане производительность панели существенно выше, если в зале работает вентиляция. Отмечается увеличение мощности по сравнению с заложенными в проект 40 Вт/м².

Архитектура системы

В состав проекта входят вентиляционная приточная система с воздухораспределителями для подачи в нижнюю зону и панельная система напольного отопления-охлаждения. В летний период их обслуживают две самостоятельные холодильные машины, одна предназначена для работы в более низком диапазоне температур (7-12°С), вторая - в более высоком (15-21°С), как показано на рисунке 2. Решение использовать раздельные холодильные установки для обслуживания системы панельного охлаждения и воздухоохладителя вентиляционной системы обусловлено тем, что для них нужна разная температура. Кроме того, эти системы имеют различные мощности и время запуска.

Рисунок 2. Схема управления обслуживающими системами

Холодильная машина, предназначенная для центральной приточной установки, традиционно работающей с диапазоном температур от 7 до 12°С, не пригодна для непосредственного обслуживания панельной системы, в которой необходим диапазон 15-21°С.

Решить эту проблему можно было подмешиванием к холодной воде обратной воды из панельной системы. Однако решено было контуры холодоснабжения систем разделить, принимая во внимание следующие обстоятельства:

• разное потребление мощности (мощность холодильного агрегата панелей на 1/3 меньше мощности машины для контура воздухоохладителя);
• разное время запуска холодильных агрегатов (при низких нагрузках в межсезонье вполне возможно обеспечивать вентилирование без осушки приточного воздуха);
• разная продолжительность работы (панель в режиме охлаждения может быть задействована постоянно, в том числе ночью);
• разный расход охлаждаемой воды в двух холодильных агрегатах, работающих в двух разных температурных диапазонах (агрегат с повышенным диапазоном температур охлаждает, естественно, больший расход воды).

Основные элементы вентиляционной установки: рекуперативный теплообменник перекрестного типа, регулирующие заслонки, рециркуляционный воздуховод, воздушный фильтр, воздухоохладитель, воздухонагреватель, приточный вентилятор, вытяжной вентилятор (см. рис. 3).

Рисунок 3. Принципиальная схема вентиляционной установки

Сознательно было решено отказаться от установки зимнего увлажнителя.

Такое решение обусловлено климатическими характеристиками места строительства и возможностью небольшого увлажнения воздуха внутренними влаговыделениями внутри обеденного зала.

В летний период осушка воздуха осуществляется за счет охлаждения в воздухоохладителе до температуры 11°С (при максимальной нагрузке) и подается в помещение после нагрева в воздухонагревателе до температуры около 20°С (температура подачи в помещение).

Для ограничения энергозатрат летом в воздухонагревателе циркулирует вода, нагретая в конденсаторном блоке холодильной машины, обслуживающей напольное охлаждение, до температуры около 65°С с температурным перепадом подачи и возврата не менее 15°С. Зимой вода нагревается в конденсационном котле, утилизирующем теплоту конденсации водяных паров из продуктов сгорания. Таким образом обеспечивается коэффициент полезного действия не менее 104 % (рассчитанный по низшей теплоте сгорания при температуре возвращаемой в блок воды 50°С).

Тот же конденсационный котел в зимний период обеспечивает теплом и воздухонагреватель, и напольное отопление. Благодаря своей электронике автоматически переключаются расходы подаваемой в систему воды, причем приоритетом по отношению к панельному отоплению пользуется запрос воздухонагревателя.

В контур воздухонагревателя включен бак-аккумулятор, сокращающий число циклов вкл./выкл. теплогенератора. Было решено обойтись без системы непрерывного приготовления воды, имеющей высокую температуру, с последующим подмешиванием обратной. Таким образом, разработчики в полной мере использовали преимущества, предоставляемые тепловым насосом.

Регулирование

Рассматриваемая система рассчитана на частые изменения тепловой нагрузки при ограничении температурных колебаний и минимизации расходов энергоресурсов. С этой целью в качестве регуляторов использованы свободно программируемые контроллеры. Расход и температура подаваемого приточного воздуха регулируются одним регулятором в зависимости от температуры и влажности наружного и внутреннего воздуха, а также показаний датчика качества внутреннего воздуха, тогда как второй регулятор управляет напрямую работой панельного отопления-охлаждения. Три датчика непрерывно контролируют состояние среды в помещении, управляя посредством регуляторов работой холодильных агрегатов, теплогенератора и трех заслонок, расположенных в приточном, вытяжном и рециркуляционном воздуховодах.

Обе системы регулирования взаимодействуют в случаях, когда для исключения выпадения конденсата на напольных панелях требуется обеспечить осушку приточного воздуха. В остальных случаях системы работают отдельно друг от друга (например, только в режиме вентилирования с охлаждением или без него).

Для обеспечения максимально комфортных условий, помимо энтальпийных датчиков, в системе использован датчик качества воздуха, предназначенный для обнаружения загрязняющих веществ, типичных для помещений, где разрешено курить, в частности, СО2 и органических летучих соединений (ОЛС).

В зависимости от концентрации данных веществ в воздухе регуляторы приводят в действие приточный и вытяжной вентиляторы. Вентиляторы могут работать на одной из трех скоростей (1500, 1000, 750 об./мин.).

Особенности работы системы в летний период

Низкая нагрузка

В летний период, если нагрузка ресторана невелика, напольное панельное охлаждение не выключается, а вентиляционная система работает с минимальным расходом приточного и вытяжного воздуха при автоматически устанавливаемой низкой скорости вентиляторов.

В таком режиме небольшой расход воздуха обеспечивает достаточно быструю подстройку системы осушки приточного воздуха под изменения состояния среды в помещении, а также рост эффективности теплообмена системы панельного охлаждения.

Настроенная на работу с низкой нагрузкой, предназначенная для этого холодильная машина, обеспечивает охлаждение пола, потребляя немногим более 1 кВт электроэнергии. Хладоноситель для осушки приточного воздуха готовится другой холодильной машиной, в контуре которой имеется бак-аккумулятор для сокращения циклов вкл./выкл.

Теплоаккумулирующие охлаждаемые полы и массивные наружные и внутренние стены здания образуют своего рода инерционный энергетический маховик, идущий в ход в период повышенной нагрузки.

Высокая нагрузка

Когда число посетителей заведения начинает заметно расти (часы перерыва на обед в организациях и вечернее время), растут расходы воздуха, подаваемого в залы. Вначале подается нейтральный воздух (т.е. имеющий температуру и влажность, близкие к параметрам внутреннего), затем все более холодный - при максимальной расчетной нагрузке разность температур приточного и вытяжного воздуха составляет около 6°С.

В состав приточно-вытяжной вентиляционной установки входит перекрестный рекуператор тепла для использования остаточной энергии вытяжного воздуха, что позволяет снизить энергозатраты на обработку больших расходов приточного. При благоприятных погодных условиях (температура наружного воздуха не превышает температуру рециркуляции) заслонка байпаса узла обработки воздуха закрывается, и система работает на прямотоке без обработки приточного воздуха.

Датчик температуры в приточном воздуховоде непрерывно контролирует температуру воздуха на выходе из воздухораспределителей, которая не должна выходить за рамки 20°С. В этих условиях посетители чувствуют себя комфортно.

Запускается система утром - заслонки устанавливаются на полную рециркуляцию, включаются вентиляторы. Только когда качество воздуха неудовлетворительно (а утром такое случается очень редко), заслонки переключаются на частичный приток свежего воздуха вместе с запуском вентиляторов.

Особенности работы системы в зимний период

Принцип работы системы в зимний период весьма прост. Заведение отапливается исключительно напольной панельной системой с регулированием температуры воды в подающей магистрали. Помещение вентилируется нейтральным воздухом, расход приточного изменяется ступенчато в зависимости от качества воздуха в помещении. В залах ресторана поддерживается температура воздуха по сухому термометру, равная 20°С при 40 % относительной влажности, а температура приточного воздуха также поддерживается около 20°С.

Выбор воздухораспределителей

На рисунке 4 приведено расположение воздухораспределителей в рассматриваемом заведении (они обозначены цифрами от 1 до 6). При выборе модели воздухораспределителя и определении его типоразмера были приняты в расчет следующие параметры: форма и размеры ресторана, тепловая нагрузка залов, расположение столиков и, самое главное, зона повышенной подвижности воздуха вокруг воздухораспределителей.

Рисунок 4. План помещения. Указаны приточный (синий) и вытяжной (красный) воздуховоды, места установки воздухораспределителей (обозначены цифрами от 1 до 6) и зоны повышенных скоростей воздуха вокруг них.

Последний показатель считается чрезвычайно важным, поскольку определяет границы участка вокруг воздухораспределителей, где скорость воздуха достигает допустимого уровня. Для рассматриваемого ресторана были закуплены воздухораспределители, у которых зона с превышающей установленный предельный уровень (0,2 м/с) скоростью имела приемлемые размеры.

Воздухораспределители ресторанных залов оборудованы такими соплами, которые позволяют изменять геометрию приточного факела. /p>

На рисунке 5 смоделирован характерный приточный факел на выходе из воздухораспределителя.

Рисунок 5. Приточный факел на выходе из воздухораспределителя.

Панели отопления-охлаждения

В панелях использованы трубы диаметром 14 мм, уложенные в змеевик с постоянным шагом 10 см. Укладка труб производилась в обычном порядке.

При этом особое внимание было обращено на надежность теплоизоляции трубопровода на участке вблизи коллектора (см. рис. 6).

Рисунок 6. Схема раскладки труб в напольных панелях, установленных в ресторане.

Это объясняется тем, что повышенная концентрация труб на участке вблизи коллектора может послужить причиной неуправляемого снижения температуры поверхности панели с последующим образованием конденсата.

Ко всему сказанному выше о регулировании работы панелей в летний период следует добавить, что температура холодной воды внутри панели постоянно поддерживается выше точки росы внутреннего воздуха, при этом температура в подающей магистрали изменяемая от 15 до 21°С с разностью между подающей и обратной около 5°С. Температура точки росы рассчитывается определенным узлом в соответствии с показаниями энтальпийного датчика, установленного в зале (зал 1). Температура поверхности пола непрерывно контролируется, чтобы, с одной стороны, осуществлять охлаждение зала, а с другой - не допускать образования нежелательного конденсата.

Практическое воплощение

Серьезные препятствия в реализации проекта были отмечены по ходу прокладки воздуховодов в стенах ресторанного зала. Работа осложнялась тем, что, помимо горизонтальных ответвлений воздуховодов, внутри несущих конструкций необходимо было проложить вертикальные, в том числе ответвления к горловинам воздухораспределителей. Последние были "утоплены" в несущую стену (крупные распределители на глубину около 47 см, мелкие - на 35 см), при этом несущая способность стены не ослаблена.

Рисунок 7. Разрезы двух встроенных воздухораспределителей, использованных в рассматриваемом ресторане.

 

В ходе прокладки электропроводки и разводки сети управления системами пришлось решать проблемы, типичные для работ по реконструкции зданий, имеющих определенный возраст.

В частности, в рассматриваемом ресторане возведены сводчатые потолки, а толщина несущих стен на некоторых участках превышает 60 см. В этой связи целый ряд серьезных проблем удалось решить только при активном участии профессионального архитектора.

Что же касается системы регулирования, то следует подчеркнуть, что интеграция электронных узлов управления системой панельного отопления-охлаждения в пульт управления обслуживающей ее холодильной машины позволила значительно упростить электрическую схему контура и существенно сэкономить на сроках и условиях прокладки инфраструктуры системы.

Заключение

Выполненная разработка и реализация проекта представляется достаточно непростой, однако весьма интересной. Несомненно, главным его достижением является то, что была "придумана" система, отличная от традиционного "пакета", отработанного и знакомого до мелочей со всеми достоинствами и недостатками, - пакета, привязка, оптимизация и раскладка которого, имея перед глазами расчетные параметры (смета расходов, показатели мощности узлов, скорости воздушных потоков), производятся в кратчайшие сроки. Конечно, хороший профессионал расчеты и такого "пакета" проверит и перепроверит, но за спиной у него всегда будут тысячи уже реализованных подобных проектов и уверенность в непогрешимости общей идеи. Впрочем, справедливости ради следует сказать, что с технической точки зрения, когда "ознакомительный" барьер преодолен, разработанный проект особых сложностей не вызывает. В концептуальном плане разработчики применяли известные принципы расчета узлов за исключением, быть может, конфигурации и сопряжения различных электронных систем, не предназначенных для работы в сложной интегрированной системе подобной той, что описана в статье. Когда были сняты трудности начального периода (во многом благодаря дальновидности и чуткости руководства, а также высокому профессионализму работников), окончательный расчет системы и реализация проекта не заняли много времени. В свете сказанного можно утверждать, что установленная система позволила обеспечить хорошие комфортные условия для посетителей заведения как в летний, так и в зимний периоды во всех залах ресторана с улучшенной очисткой воздуха в зонах обслуживания. Несмотря на то, что везде в ресторане посетителям разрешено курить, до сих пор не было отмечено ни одного случая подмешивания загрязненного воздуха к нижней зоне заведения, поскольку столбики табачного дыма свободно уходят в зону вытяжки, не испытывая практически никаких сторонних возмущений. В частности, особенно в летний период, в ресторане ощущаются приятные освежающие конвективные потоки, обтекающие сидящих за столиками и удаляющие дым и испарения.

В завершение добавим, что реализованный проект позволил добиться подтвержденной существенной экономии энергоресурсов в сравнении с традиционными системами кондиционирования в основном благодаря вытесняющей вентиляции, применению теплового рекуператора, ступенчатому регулированию скорости вентиляторов, регулированию угла раскрытия струи в соответствии с нагрузкой и, наконец, использованию при нагреве воды конденсатора холодильной машины для напольных панелей в летнее время и конденсационного котла в зимний период. В результате заказчик оценил проект более чем удовлетворительно.