«Холодные полы» для торговых центров

Для вентиляции, охлаждения и обогрева большинства крупных торговых центров используются системы с постоянным расходом воздуха (CAV-системы), оснащенные крышными кондиционерами. Их установка проста и не требует существенных затрат, обслуживание также не составляет особого труда. Тем не менее в последнее время проектировщики все чаще разделяют системы вентиляции и системы кондиционирования воздуха. Один из вариантов такого решения — использование для вентиляции специализированных систем подачи наружного воздуха (DOAS), а для охлаждения — «холодного пола».

Подобное сочетание обеспечивает дополнительные возможности при проектировании и управлении, позволяет сократить энергопотребление, эффективно распределить нагрузку, улучшить температурный режим в помещении и снизить уровень шума от системы в целом. В этой статье описывается процесс проектирования и установки «холодного пола» и DOAS в гипермаркете.

Исходные условия проектирования

В июне 2009 г. в городе Сакраменто, штат Калифорния, открылся магазин сети Wallmart. Его систему отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха проектировали так, чтобы она отвечала следующим требованиям:

• максимальное использование испарительного охлаждения;
• разделение систем вентиляции и систем кондиционирования;
• снижение нагрузки на систему охлаждения;
• повышение показателей температурного комфорта.

Почему именно «Холодные полы»?

Как правило, приточный воздух, подаваемый центральными системами кондиционирования, охлаждается до 12,8°C. Холодоноситель для этого должен иметь температуру 7,2°C. А температура поверхности «холодного пола» обычно поддерживается на уровне 20°C — 22,2°C; соответственно, температура охлаждающей воды должна быть в диапазоне от 12,8°C до 15,6°C. Повышение температуры холодоносителя увеличивает эффективность системы.

DOAS с автономной системой управления может подавать либо воздух, имеющий те же параметры, что и воздух в помещении, либо, если есть потребность в дополнительном охлаждении или необходимость в компенсации влияния скрытых источников тепла, предварительно охлаждать его.

Высокая теплоемкость «холодного пола» позволяет сгладить нагрузку на систему охлаждения без снижения показателей комфортности. Ее запуск в утреннее время, при более низких показаниях сухого и влажного термометров, позволяет сэкономить на охлаждении воды или повысить КПД холодильной машины за счет более низкой температуры конденсации.

Рис. 1. Стандартный (слева) и установленный «холодные полы» (справа)

Параметры комфорта в помещении можно определить при помощи моделирования по методу Фангера. Этот метод позволяет вычислить процент людей, испытывающих дискомфорт в заданных условиях (PPD). Как правило, нормальным считается микроклимат, для которого этот показатель не превышает 10%, то есть более 90% людей в помещении чувствуют себя комфортно.

«Холодный пол» и DOAS позволяют активно влиять на температуру по сухому термометру и среднюю радиационную температуру (СРТ); центральная система кондиционирования позволяет регулировать только температуру по сухому термометру. В таб. 1 показано, что за счет снижения СРТ можно обеспечить комфортные условия даже при высокой температуре по сухому термометру.

Таблица 1. Сравнение параметров комфорта

Проектирование «Холодного пола»

При проектировании системы применялись стандартные методы, моделирование энергетических потоков во всем здании и анализ методом конечных элементов. Итоговое решение, назовем его «установленный “холодный пол”» (табл. 2), позволило обеспечить удовлетворение потребности в охлаждении на уровне 15,8 Btu/ч∙фут2 (49,8 Вт/м2) при температуре напольного покрытия 18,9°C.

Таблица 2. Сравнение стандартного и установленного «холодного пола»

Установленный «холодный пол» оказался дешевле стандартного за счет уменьшения толщины плит, отказа от изоляции под плитами, а также уменьшения диаметра трубок, расположенных прямо на основании из утрамбованного гравия.

Зонирование

Проектирование началось с разделения площади магазина на пять температурных зон (рис. 2), в двух из которых предусматривалось охлаждение за счет лучистого теплообмена.

Рис. 2. Зонирование магазина

Торговая зона

Согласно первоначальным расчетам пиковая нагрузка по охлаждению торговой зоны составит менее 16,0 Btu/ч∙фут2 (50,5 Вт/м2), что не превышает возможностей «холодного пола». Потребность в охлаждении оказалась одинакова на всей площади. Прямоугольная форма помещения позволила разработать готовые к установке трубные модули, за счет чего сократилось время на монтаж и отладку.

Прикассовая зона

Загруженность и геометрическая форма этой зоны аналогичны параметрам торговой зоны, но здесь необходимо обеспечить дополнительное охлаждение средствами отдельной DOAS, с тем чтобы компенсировать нагрузку, создаваемую поступающим с улицы воздухом.

В подсобных и арендуемых помещениях монтаж «холодного пола» не предусматривался по причине сложной формы и большого диапазона тепловой нагрузки. Холодильные витрины в бакалейной зоне снижают потребность в охлаждении — для поддержания комфортных условий там достаточно DOAS.

Удовлетворение потребности в охлаждении

При проектировании прикассовой и торговой зон основная цель состояла в том, чтобы максимально удовлетворить потребность в охлаждении за счет «холодного пола». При пониженной средней температуре напольного покрытия охлаждение обеспечивается за счет конвективного теплообмена с воздухом и длинноволнового теплообмена с другими поверхностями, в особенности — с потолком. Рекомендованная средняя температура напольного покрытия, предусмотренная национальными и международными стандартами, составляет 17,8 — 18,9°C.

Таблица 3. Пиковые значения холодопроизводительности*

Оценочные значения холодопроизводительности были получены на основании предварительных расчетов с учетом установленных коэффициентов теплопередачи напольного покрытия: 0,97 Btu/ч∙фут2∙°F (5,5 Вт/м2∙К) для длинноволнового излучения и 0,26 Btu/ч∙фут2∙°F (1,5 Вт/м2∙К) для конвекции. В табл. 3 приведены значения пиковой холодопроизводительности при различных значениях температуры напольного покрытия.

Рис. 3. Сакраменто, штат Калифорния. Расчетный день с колебанием температуры по влажному термометру в пределах 1%

Значения, приведенные в табл. 3, занижены, поскольку не учитывают значительный приток тепла от солнца в виде коротковолнового излучения, проникающего через окна. Чтобы учесть все виды теплового взаимодействия, рабочая группа использовала программы для энергетического моделирования в масштабах всего здания. Кроме того, требовалось учесть и существенный теплообмен в форме длинноволнового излучения между напольным покрытием и потолком. При этом целью было определение минимальной средней температуры напольного покрытия, обеспечивающей удовлетворение потребности в охлаждении в течение расчетных суток (рис. 3), когда колебания температуры по влажному термометру находятся в диапазоне 1%. В табл. 4 приведены основные исходные данные модели.

Таблица 4. Исходные данные для моделирования

В ходе работ проектная группа не учитывала переходное состояние «холодного пола» и дополнительную теплоемкость плит и грунта. Считалось, что температура напольного покрытия мгновенно изменяется до значения, позволяющего в точности компенсировать потребность в охлаждении таким образом, чтобы температура в помещении, измеренная по сухому термометру, оставалась в диапазоне между 24,4 и 25,6°C.

На рис. 4 отражены тепловые нагрузки в торговой зоне в течение дня. Высота столбцов показывает количество тепла, поглощаемого «холодным полом» и определяемого значением температуры напольного покрытия (рис. 7). Моделирование показало, что температура поверхности пола в часы пик должна поддерживаться на уровне 18,9°C, обеспечивая холодопроизводительность, равную 49,8 Вт/м2.

Рис. 4. Моделирование торговой зоны в рамках энергетического моделирования всего здания при колебаниях температуры по влажному термометру в диапазоне 1,0? В течение суток, когда температура поверхности напольного покрытия изменяется каждый час с целью компенсации соответствующей тепловой нагрузки. На рис. 7 указана температура поверхности напольного покрытия в течение каждого часа.

Расчет пиковой холодопроизводительности

Для обеспечения средней температуры поверхности напольного покрытия на уровне 18,9°C, а холодопроизводительности — на уровне 49,8 Вт/м2 были определены значения следующих параметров:

• Расстояние между трубками. Как правило, межцентровое расстояние между трубками составляет 6 или 9 дюймов (152 или 229 мм). Чтобы обеспечить требуемую холодопроизводительность при максимальной температуре хладагента, расстояние между трубками было принято равным 6 дюймам (152 мм).
• Диаметр трубок. Типовой наружный диаметр трубок равен 1/2 или 5/8 дюйма (13 мм или 16 мм). Хотя использование трубок диаметром 5/8 дюйма (16 мм) позволило бы немного повысить холодопроизводительность, выигрыш оказался недостаточным для компенсации суммарных издержек.
• Длина трубок. Как правило, чтобы гидравлические характеристики в контурах не выходили за пределы допустимых отклонений, длина контуров не должна превышать 300 футов (91 м). При проектировании длина контуров была принята равной 260 футам (79 м).
• Глубина укладки трубок. Стандартная глубина укладки трубок — от 1,5 до 2 дюймов (от 38 до 51 мм) обеспечивает достаточное пространство для динамического отклика при одновременном предотвращении растрескивания бетона. Однако во избежание пробивания трубок двухдюймовыми (51 мм) крепежными болтами глубина укладки не могла быть меньше 3 дюймов (76 мм). В этом случае потребовалось бы подвесное крепление трубок либо на подкладках (что слишком дорого), либо на стальной арматуре (которой в плитах нет). Для минимизации первоначальных расходов трубки были размещены под плитами.
• Толщина плит и изоляция. Проектная группа задалась вопросом, позволит ли увеличение толщины плит с 4 до 6 дюймов (с 102 до 152 мм) повысить отдачу за счет большей теплоемкости: плиты можно было бы предварительно охлаждать утром, что дало бы возможность сгладить пиковую нагрузку в дневные часы. Также группа изучила вопрос о том, может ли грунт под плитой начальной толщины (4 дюйма, т. е. 102 мм) обеспечить такой же эффект, что и дополнительные 2 дюйма (51 мм) толщины бетонной плиты, в особенности в случае размещения трубок под плитой. Если такое возможно, то теряется смысл в укладке изоляции, поскольку она мешала бы использовать «бесплатное» охлаждение за счет грунта. При помощи программы моделирования всего энергетического контура здания было смоделировано поведение плит. Результаты показали, что комбинация неизолированной 4-дюймовой (102 мм) плиты и грунта не уступает по характеристикам 6-дюймовой (152 мм) плите с изоляцией. Исходя из этого, для проекта было одобрено использование 4-дюймовых (102 мм) неизолированных плит.
• Расход. Стандартами по расходу воды предусматривается обеспечение минимальной скорости течения, достаточной для создания турбулентного потока и обеспечения теплообмена за счет конвекции. Из типового диапазона значений увеличения температуры — 2,8–5°C, был выбран перепад, равный 2,8°C обеспечивающий турбулентность и подачу воды более высокой температуры.
• Температура подаваемой и возвратной воды. После определения приведенных выше параметров был выполнен анализ, результаты которого показали: для поддержания температуры поверхности напольного покрытия на уровне 18,9°C и холодопроизводительности на уровне 49,8 Вт/м2 достаточно, чтобы температура подаваемой воды была равна 14,4°C, а возвратной — 17,2°C.

Механическая система

На рис. 5 показано, как «холодный пол» интегрируется с системой охлаждения. Жидкостные охладители отводят тепло от трех холодильных стоек и обеспечивают охлаждение воды для «холодного пола». При отключенном водном блоке воду для пола охлаждает чиллер. Для вентиляции в торговой и прикассовой зонах предусмотрены четыре блока DOAS, которые обеспечивают косвенное испарительное охлаждение (IDEC) и дополнительное непосредственное охлаждение за счет прямого теплообмена (DX). В системе IDEC используется балластный воздух (смесь отработанного и наружного воздуха), охлаждаемый за счет испарения. Каждый блок DOAS обеспечивает охлаждение за счет увеличения объемов подаваемого наружного воздуха сверх необходимого для вентиляции минимума.

Рис. 5. Схема механической части

Управление работой «Холодного пола»

Хотя при проектировании «холодного пола» теплоемкость панелей не принималась во внимание, стратегия управления его работой должна ее учитывать. Для изучения различных стратегий использовалась энергетическая модель всего здания. Все результаты, приведенные в данном разделе, получены на основе расчетов по энергетической модели здания и не отражают реальных характеристик. Сбор данных для проверки результатов моделирования продолжается.

Первоначально проектная группа смоделировала ситуацию «постоянный расход — постоянная температура». После перевода «холодного пола» из отключенного состояния в режим расхода 613 галлонов в минуту (2,32 м3/мин) при температуре 14,4°C охлаждение плит происходило слишком быстро. Соответственно, температура по сухому термометру и СРТ также опускались слишком быстро. К моменту достижения контрольного значения на термостате с сухим термометром и последующего отключения насоса охлаждение по инерции — за счет теплоемкости плит — приводило к переохлаждению воздуха в помещении.

На основе различных соотношений между температурой подаваемой воды и температурой в помещении по сухому термометру были изучены стратегии типа «постоянный расход — переменная температура». Исследования показали, что в этом случае либо наступает переохлаждение и сокращение цикла работы, либо требуется повышение энергопотребления со стороны насоса и охладителя жидкости.

После изучения многочисленных вариантов проектная группа пришла к выводу, что лучшие эксплуатационные характеристики обеспечиваются в режиме «переменный расход — переменная температура». На рис. 6 показана часть стратегии управления с переменным расходом. Минимальная тепловая нагрузка в системе «холодного пола» приводит к возникновению потока, расход которого составляет 20% от расчетного. С ростом тепловой нагрузки, проявляющейся в виде возрастания температуры по сухому термометру, повышается и расход. Моделирование показало, что подобная стратегия управления позволяет снизить влияние пиковой потребности в охлаждении таким образом, что расход в любой ситуации не превысит 60% от номинального (обозначен красной линией на рис. 6). Чтобы полностью учесть все возможные факторы, проектная группа реализовала более консервативную схему управления (обозначена зеленой линией на рис. 6). В этой схеме максимальный расчетный расход наблюдается при 26 °C по сухому термометру.

Рис. 6. Стратегия переменного управления работой «холодного пола»

Регулирование температуры обеспечивается последовательным включением в контур охладителей жидкости и чиллера. При температуре по сухому термометру ниже 26°C охладители жидкости работают в режиме подачи в систему «холодного пола», поддерживая температуру нагнетаемой жидкости на уровне 17,2 °C. Если температура по сухому термометру достигает 26°C или охладители не справляются с поддержанием температуры нагнетаемой жидкости на заданном уровне, в работу включается чиллер. Он работает по схеме, отображенной в табл. 5, до момента, пока температура по сухому термометру не опустится ниже 24,4°C.

Таблица 5. График регулирования температуры охлажденной нагнетаемой воды

Рис. 7. Сравнение производительности «холодных полов» при использовании стратегии управления, в которой учитывается или не учитывается теплоемкость в течении расчетных суток.

На рис. 7 показано изменение температуры поверхности напольного покрытия и общего охлаждения воздуха в помещении в зависимости от того, учитывается в стратегии теплоемкость или нет. Красные линии соответствуют случаю принудительного регулирования температуры напольного покрытия, которое обеспечивает точную компенсацию тепловой нагрузки в течение всех расчетных суток (без учета теплоемкости). Синими линиями показан случай реализации стратегии управления «переменный расход — переменная температура», в которой влияние теплоемкости учитывается. На рисунке видно, что учет теплоемкости позволяет поддерживать температуру поверхности напольного покрытия в диапазоне от 20 до 22°C, в то время как при отказе от учета диапазон изменения температуры значительно шире: от 19 до 24 °C. Учет теплоемкости позволяет снизить пиковую холодильную нагрузку до 35 Вт/м2, поскольку накопление холода в утренние и ночные часы позволяет снизить потребность в охлаждении в часы пик.

Эсплуатационные характеристики

Для количественного определения энергетических требований было смоделировано четыре конфигурации климатической системы. При этом параметры, не относящиеся к работе системы, например, характеристики оболочки здания, осветительной системы и морозильных камер, считались неизменными.

• Стандартные крышные кондиционеры с постоянным расходом воздуха (CAV DX RTU);
• Высокоэффективные крышные кондиционеры с переменным расходом воздуха (VAV DX RTU);
• «Холодные полы», DOAS: «постоянный расход — переменная температура хладагента»;
• «Холодные полы», DOAS: «переменный расход — переменная температура хладагента».

В табл. 6 приведены данные о предполагаемой экономии электроэнергии при использовании системы из «холодного пола» и DOAS по сравнению с потреблением систем центрального кондиционирования. Кроме того, данные таблицы показывают важность выбора подходящей системы управления для обеспечения максимального энергосбережения.

Таблица 6. Годовое электропотребление климатической системы

Установка на месте

Результаты моделирования позволили остановиться на использовании неизолированных плит толщиной 4 дюйма (102 мм). Данная схема позволяет снизить энергопотребление, одновременно обеспечив выполнение требований к тепловому комфорту. У компании Walmart все же оставались определенные сомнения. Однако эти сомнения касались размера первоначальных расходов и влияния установки системы на общую сумму строительной сметы. Например, поскольку за 8-часовую смену один рабочий может уложить от 300 до 380 метров трубок, укладка 61 000 метров трубок экономически нецелесообразна.

Инженеры проекта разработали масштабируемый трубный модуль заводской сборки. Укладка подобных модулей производится достаточно быстро. Модуль состоит из секций размером 5 на 6 футов (1,52 м на 1,83 м) и толщиной 0,5 дюйма (13 мм). Расстояние между трубками — 6 дюймов (152 мм). Перед заливкой пола модули выложили на основание из утрамбованного гравия и соединили между собой. Это позволило сэкономить около 188 трудочасов на каждые 10 000 квадратных футов (929 м2) пола. Требования к равномерности укладки были снижены за счет единообразной конструкции модулей. В целом компании Walmart удалось сэкономить от 60до 75% расходов по сравнению с монтажом традиционной системы «холодных полов».

Заключение

Проект

• Проект «холодных полов» для крупных розничных магазинов может быть оптимизирован с учетом требований к комфорту посетителей, энергосбережения, сглаживания пиковых нагрузок и возможности практической реализации с применением имеющихся на рынке средств и систем анализа. Описанный подход может служить примером для аналогичных проектов, в которых предусмотрено использование «холодных полов».
• В зонах, оборудованных холодильными витринами, расчетная точка росы, как правило, определяется исходя из необходимости предотвращения нарастания инея на змеевиках испарителей, а не на основе температуры «холодных полов».
• Для повышения комфорта находящихся в помещении людей и обеспечения энергосбережения и сглаживания пиковых нагрузок чрезвычайно важна стратегия управления работой «холодных полов» и сопутствующей DOAS.

Эксплуатационные характеристики

• При условии управления, отвечающего установленным требованиям, система, состоящая из «холодного пола» и DOAS, может быть более чем на 50% эффективней системы CAV, имеющей стандартные характеристики энергопотребления.
• Ожидается, что система «холодных полов» способна работать при более высоких значениях температуры по сухому термометру, чем система центрального кондиционирования, обеспечивая при этом сравнимый уровень комфортности.

Снижение расходов

• Использование модулей позволяет существенно сократить продолжительность монтажа, при этом общая экономия трудозатрат может достигать 60 -75%.

Анализ данных

• В настоящее время выполняется сбор данных по энергопотреблению, пиковой мощности, температуре поверхности плит, температуре грунта под плитами, температуре нагнетаемой и возвратной воды, температуре окружающего воздуха, а также температуре по сухому термометру в торговой и прикассовой зонах с целью последующего сравнения реальных эксплуатационных характеристик с проектными. Собранные данные еще не переданы на анализ, однако представители компании Walmart уже отметили, что «холодные полы» проявили себя «лучше, чем ожидалось». Моделирование всего здания позволило получить первые данные для сравнения различных стратегий управления.

Правила использования материалов сайта