Современные тенденции развития климатического оборудования для частного дома

За последние 10-15 лет в жизни страны произошли кардинальные перемены, затронувшие практически все основы бытия - политику, экономику, социальную сферу, общественное сознание, а также наш с Вами быт как таковой. Что касается последнего, особенно в части микроклиматического обеспечения, все мы были свидетелями довольно резкой смены типов и поколений оборудования, востребованного на рынке, пройдя последовательно эпохи оконных кондиционеров, сплит-систем, систем чиллер-фэнкойл и активно продвигаемых в настоящее время мультизональных систем VRF. Вместе с тем, нельзя не заметить определенную спорадичность указанного процесса, в значительной мере определяемого рекламными акциями без должного аналитического обоснования.

Следует заметить, что в отечественных условиях, как нигде, имеют место благоприятные условия для реализации наиболее совершенных и современных технологий, поскольку в большинстве случаев вновь разрабатываемые объекты не отягчены традиционными решениями, зачастую испытывающими консервативное влияние ближайшего прошлого. В данной ситуации простое тиражирование проектных решений, имеющих распространение на текущий момент за рубежом, представляется нерациональным и, в известной мере, ущербным с позиций технического прогресса, имеющего экспоненциальный характер. Достаточно вспомнить опыт таких стран, как Германия и Япония, сумевших в условиях практически полного распада экономики после Второй мировой войны за счет внедрения новейших технологий и соответствующих технических средств в кратчайшие сроки выйти на передовые мировые рубежи.

Целью настоящего обзора является анализ перспектив и новейших тенденций развития климатического оборудования, наметившихся в связи с реально существующими практическими потребностями и достижениями современной науки и техники.

Обзор подготовлен с использованием следующих материалов:

• база данных “AIRBASE”, поддерживаемая AIVC (Air Infiltration and Ventilation Centre) и содержащая технические отчеты ведущих научно-исследовательских организаций и тезисы опубликованных мировым сообществом статей в области вентиляции и кондиционирования воздуха;
• база данных “IBSDEDEX”, содержащая актуальные статьи по микроклиматическому обеспечению жилых помещений;
• база данных “DERWENT”,содержащая патентную литературу по вопросам вентиляции и кондиционирования воздуха;
• техническая документация заводов-изготовителей, сертифицированных в рамках программы «EUROVENT»;
• текущие публикации в периодических изданиях, не нашедшие место в упомянутых выше источниках.

Прежде всего, обращает на себя внимание возродившийся единодушный интерес к вентиляции самой по себе. Дело в том, что долгое время доминировавшие на рынке кондиционеры, упомянутых ранее типов, за редким исключением, не привносят в наше жилище ни грана свежего воздуха, ограничиваясь температурной обработкой циркулирующих внутри помещения воздушных масс, создавая, так называемый, эффект «мятого воздуха». Справедливости ради, следует отметить существенный прогресс в части дальнейшего совершенствования бытовых кондиционеров, осуществляющих температурную обработку воздуха. В новейших моделях внедряются средства их интеллектуализации, обеспечивающие по показаниям инфракрасных датчиков температуры пола и других ограждающих конструкций динамическое перераспределение потоков воздуха по мере необходимости, создавая однородные температурные поля по всему объему обслуживаемого помещения. Прогрессивными являются также технические решения, направленные на более тонкую очистку обрабатываемого воздуха, уничтожение бактериальной флоры и нейтрализацию некоторых вредных химических соединений.

Вместе с тем, совершенно необходимым является наличие в достаточном количестве свежего воздуха, дефицит которого создает серьезные проблемы, связанные со следующими факторами:

• метаболические выделения в результате жизнедеятельности человека;
• повышенная влажность воздуха за счет внутренних источников влаговыделения;
• формальдегиды и другие вредные выделения с поверхностей современных отделочных материалов, так называемые летучие органические соединения (Volatile Organic Compounds);
• окись углерода и двуокись азота, образуемые в результате неполного сгорания газа и других видов топлива;
• радон, эманирующий из строительных материалов, и дочерние продукты его радиоактивного распада;
• асбестовые волокна;
• аэрозоли, содержащие свинец и другие тяжелые металлы;
• биологические загрязнения, включая пролиферирующие споры грибков и плесени, бактерии и пр.;
• устойчивые запахи.

Недостаток свежего воздуха является одной из основных причин возникновения синдрома «больных» зданий (SSB – Sick Building Syndrome). Не менее важной является также соответствующая влажностная обработка воздуха, который должен быть, как не пересушен, что часто свойственно использованию традиционных кондиционеров, так и не излишне увлажнен. В обоих случаях имеет место неблагоприятное воздействие окружающей среды, как на человека, так и на предметы интерьера, весьма чувствительные к дефициту или избытку абсолютного влагосодержания воздуха.

Тепловые ощущения человека, являясь многофакторными по своей природе, определяются тепловым балансом, который зависит от уровня физической активности, используемой одежды, а также следующей тетрады показателей состояния окружающей среды: температура воздуха, средняя радиационная температура, подвижность и влажность воздуха. Международным стандартом ISO 7730 установлены 7 градаций уровня микроклиматического комфорта, определяемых путем расчета индекса PMV (Predicted Mean Vote), исходя из комплекса упомянутых выше объективных показателей, включая результаты инструментальных измерений. Производным от PMV критерием оценки является вероятная доля людей, неудовлетворенных микроклиматическими условиями, (PPD - Predicted Percentage of Dissatisfied), с помощью которого для определенного уровня комфорта прогнозируется процент лиц, испытывающих ощущения излишнего тепла, либо, наоборот, холода в конкретной среде обитания.

Совершенно очевидно, что достижение требуемого комфорта только средствами охлаждения-нагрева воздуха, циркулирующего внутри помещения, невозможно без его необходимой влажностной обработки и подачи свежего воздуха. Вместе с тем, одним из ключевых моментов конструирования современных систем вентиляции и кондиционирования воздуха является обеспечение максимальной степени энергосбережения. Связано это, во-первых, с постоянным ростом тарифов на все виды энергоносителей, а, во-вторых, с крайним дефицитом свободных мощностей, как в сельской местности, так и в крупных городах и, особенно, в их центральной части. Таким образом, современный агрегат должен обладать минимальной установленной мощностью (кВТ), а также характеризоваться минимальным среднегодовым потреблением энергии (кВт/час). Последнее определило тенденцию создания и внедрения вентиляционных агрегатов с переменным расходом свежего воздуха, количество которого регулируется по мере необходимости в зависимости от количества людей, присутствующих в баре, гостиной, бильярдной, бассейне и тому подобных помещениях. Такого рода агрегаты, получившие название DCV (Demand Control Ventilation), различаются по принципу поддержания заданного уровня энтальпии (EDCV) или концентрации двуокиси углерода (CO2DCV) в воздухе обслуживаемого помещения. Широкие возможности современных встроенных микропроцессоров обеспечивают возможность реализации совершенных стратегий и алгоритмов управления.

Особенностью агрегатов типа DCV является использование безулиточных вентиляторов, регулирование скорости которых осуществляется посредством частотного преобразователя. Валы вентилятора и электродвигателя, оснащенного встроенным преобразователем частоты, соединяются посредством конической муфты, формируя пару «двигатель-движитель» с высоким к.п.д. Для осуществления постоянного мониторинга и регулирования расхода воздуха используется датчик динамического напора.

При настройке системы для каждого из 15-20 запрограммированных по таймеру периодов времени (день недели, часы суток) задается индивидуальная уставка, в соответствии с которой будет регулироваться расход воздуха, фактическое значение которого отображается на дисплее терминала пользователя. Подавление уставки расхода воздуха, назначенной на любой из запрограммированных периодов времени, может выполняеться по управляющему сигналу одного из следующих датчиков: датчик концентрации углекислого газа (CO2); датчик влажности; индукционный датчик наличия людей внутри помещения (P.I.R-датчик). Последний из указанных датчиков обеспечивает двухпозиционное регулирование агрегатов типа DCV. Остальные из перечисленных датчиков предназначены для пропорционального регулирования, если количество воздуха, определяемого предварительно заданной уставкой, оказывается недостаточным (например, при существенном увеличении количества людей внутри помещения и/или их физической активности) для ассимиляции имеющих место метаболических выделений, которые оцениваются по концентрации углекислого газа (CO2DCV) или по повышенному уровню влажности воздуха (EDCV). При этом расход свежего воздуха, подаваемого в помещение, и, соответственно, расход удаляемого воздуха постепенно увеличиваются. Как только, концентрация углекислого газа и/или влажность воздуха снижаются до заданных величин, алгоритм управления предусматривает уменьшение расхода воздуха до первоначально определенных значений.

В целях предотвращения распространения табачного дыма и/или других запахов (например, пищевых) за пределы одного помещения агрегаты типа DCV предусматривают возможность поддержания определенной системы подпоров и разрежения между помещениями путем установки опциональных датчиков перепада давления. Управляющие сигналы от указанных датчиков перепада давления, при необходимости, способны подавлять управляющий сигнал от соответствующего встроенного датчика динамического напора. За счет этого осуществляется дополнительное регулирование производительности приточного или вытяжного вентилятора, обеспечивая потребное превалирование вытяжки над притоком, или наоборот.

Отличительной особенностью агрегатов типа DCV является также обеспечение возможности поддержания расходов воздуха на требуемом уровне, несмотря на загрязнение фильтрующих материалов и, соответственно, увеличение падения давления в отдельных ветвях системы путем его компенсации за счет пропорционального увеличения скорости двигателя вентилятора посредством встроенного частотного преобразователя.

Одним из высокотехнологичных элементов современных вентиляционных агрегатов, обеспечивающих энергосбережение, являются рекуперативные теплообменники, среди которых известны следующие:

• пластинчатые теплообменники (Plate Heat Exchangers, PHE);
• роторные теплообменники (Rotary Heat Exchangers, RHE);
• водяные циркуляционные системы (Run-around Coils);
• тепловые трубы (Heat Pipes);
• тепловые насосы (Heat Pumps);
• тепловые камеры (Heat Chambers);
• динамическая теплоизоляция (Dynamic Insulation).

Наибольший интерес и распространение получили пластинчатые и роторные теплообменники. При положительных свойствах роторных теплообменников следует отметить следующие особенности, требующие внимательного отношения к их монтажу и эксплуатации:

• наличие вращающегося ротора, обладающего значительным моментом инерции и проходящего на заводе-изготовителе как статическую, так и динамическую балансировку, предполагает тщательную регулировку положения агрегата по отношению к горизонтальной плоскости во избежание биения ротора и связанного с этим преждевременного износа опорных подшипников;
• ротор, представляющий собой теплоутилизирующую насадку, образованную узкими каналами значительной длины, в которых имеют место ламинарные воздушные потоки, уязвим по отношению к механическому загрязнению, что требует тщательного контроля за состоянием фильтров, устанавливаемых на входах, чтобы исключить возможность попадания загрязненного воздуха на ротор при разрыве фильтрующего материала.

Несмотря на повышенные габариты и эффективность, уступающую таковой для роторных теплообменников, пластинчатые теплообменники не связаны с указанными выше ограничениями, поскольку они не содержат движущихся частей и при наличии увеличенного размера между пластинами позволяют производить их чистку путем продувки сжатым воздухом либо промывки с использованием воды, различного рода детергентов и растворителей, что является предпосылками их преимущественного использования в наших условиях.

На текущий момент значительное число фирм, особенно европейских, стремится к разработке и внедрению вентиляционных агрегатов, воплощающих в себе указанные выше новейшие тенденции развития климатического оборудования. В качестве примера наиболее полного и удачного конструктивного решения следует указать на вентиляционные агрегаты типа VR/VX производства фирмы Systemair (Щвеция), которые, обладая полным спектром возможностей DCV, выпускаются как с пластинчатыми, так и с роторными рекуперативными теплообменниками.

Следует учитывать, что в современном частном доме (коттедже), а в ряде случаев и в городской квартире, помимо вентиляции существует ряд специфических задач, требующих применения сугубо специализированного современного климатического оборудования.

Практически во всех регионах нашей страны относительная влажность в холодный период при отсутствии искусственного увлажнения опускается существенно ниже регламентируемых значений, которые составляют порядка 50–60%. В регионах с резко континентальным климатом при нагреве воздуха в зимний период до комнатной температуры 20°С относительная влажность приближается к 0%. Для сравнения следует указать, что относительная влажность воздуха в пустыне Сахара не опускается ниже 15%!!!

Помимо обеспечения комфорта, поддержание необходимого уровня влажности является также чрезвычайно важным с санитарногигиенической точки зрения. Известно, что бактериальная флора (pneumococcus, staphylococcus, streptococcus) угнетается в 20 раз интенсивнее при относительной влажности воздуха от 45 до 55%, чем при влажности воздуха выше 70% и ниже 20%.

В условиях пониженной влажности могут иметь место следующие физиологические проявления: сухость во рту, постоянное чувство жажды; першение в гортани; воспаление глаз; натирание слизистых оболочек глаз контактными линзами; раздражение носовых пазух; потеря эластичности кожи; возникновение экзем, выражающихся в ороговении верхнего слоя кожи, которая становится склонной к воспалению; растрескивание слизистых оболочек губ; учащенные приступы астмы; повышенная инфекционная и респираторная заболеваемость; носовые кровотечения; хронические мышечные боли и боли в суставах; симптомы недостаточного потребления кислорода (плохая концентрация внимания, быстрая утомляемость).

Могут также иметь место следующие неблагоприятные физические проявления: накопление и разряды статического электричества, особенно при широком использовании синтетических отделочных материалов; расстроенные музыкальные инструменты; рассыхание мебели и паркета, отслоение инкрустации, панельной обшивки; образование трещин на поверхности картин и других дорогостоящих произведений искусства в результате линейных деформаций в поверхностном слое; преждевременный износ ковров за счет высыхания волокон, которые ломаются при хождении по ним людей; повышенная запыленность помещений; высыхание и нарушение электрической изоляции кабелей.

Таким образом, использование систем искусственного увлажнения воздуха в современном доме является практически необходимым, обеспечивая как комфортный микроклимат, так и защиту организма человека от неблагоприятных воздействий с санитарногигиенической точки зрения, а также, обеспечивая сохранность внутренней отделки и меблировки помещений, и, повышая электрическую, а также пожарную безопасность сооружения в целом.

В настоящее время на рынке климатического оборудования предлагается большое количество систем и агрегатов, предназначенных для увлажнения воздуха. Особенностью наиболее совершенных из них является комплексный характер регулирования и управления на основе большого количества параметров, измеряемых в режиме реального времени. В этом отношении среди ряда известных фирм-производителей особое место занимает фирма CAREL (Италия), специализирующаяся на разработке и изготовлении различного типа контроллеров широко известных во всем мире, что позволило ей достичь выдающихся результатов в секторе, занятом производством увлажнителей воздуха. Фирма поставляет широкий спектр оборудования, использующего различные технологии увлажнения воздуха (изотермическое, адиабатическое, непосредственное). Применительно к частным домам среди изотермических увлажнителей особого внимания заслуживают агрегаты типа gaSteam (серия UG), поскольку использование газа позволяет избежать проблем, связанных с необходимостью наличия большой установленной мощности электроснабжения. Среди адиабатических увлажнителей наибольший интерес представляют системы типа humiFog (серия UA), характеризуемые наименьшим удельным потреблением электроэнергии, которое составляет 4 Вт на 1 кг/час генерируемой влаги, против значения 750 Вт на 1 кг/час, характерного для всех типов изотермических увлажнителей.

Для оборудования в частном доме турецкой бани практически любого размера, принцип действия которой основан на поддержании 100%-ой влажности при регулируемых значениях температуры в пределах от 20 до 550С, существуют специально конфигурируемые для указанных целей увлажнители типа humiSteam (серия UE) производительностью от 1 до 130 кг/ час. Управление работой данных увлажнителей осуществляется по показаниям датчиков температуры ASET030000 или ASET030001.

Оборудование в частном доме плавательных бассейнов предъявляет особые требования к обслуживающим их системам обработки воздуха, которые, помимо комфортных микроклиматических условий, должны обеспечивать защиту отделочных материалов и ограждающих конструкций от разрушения под действием конденсируемой и сорбируемой влаги. Кроме того, специфичным обстоятельством, связанным с технологиями хлорной обработки воды или ее озонирования, является высокая агрессивность химических веществ, растворенных в конденсируемой влаге, что приводит к интенсивной коррозии используемого вентиляционного оборудования. Приведенные аргументы однозначным образом диктуют необходимость использования специализированных агрегатов, работа которых, помимо снабжения свежим воздухом, ориентирована на удаление избыточной влаги, являющейся ведущим вредным фактором. Расчеты свидетельствуют, что потребное удельное количество воздуха по фактору ассимиляции (разбавления) избыточной влажности в несколько раз превышает аналогичный показатель по санитарно-гигиеническому фактору (удаление метаболических выделений и неприятных запахов, свойственных воде, подвергаемой обработке способами ее хлорирования или озонирования). Таким образом, бороться с избыточной влажностью только средствами вентиляции нерационально, а в большинстве случаев и невозможно практически, поскольку потребная при этом кратность воздухообмена не может быть реализована существующими средствами воздухораспределения без избыточной подвижности, что чревато опасностью простудных заболеваний.

Среди известного на мировом рынке климатического оборудования подобного назначения следует выделить агрегаты типа CDP производства фирмы DANTHERM (Дания), предназначенные для оснащения плавательных бассейнов, имеющих площадь зеркала водной поверхности до 40-50 м2, а также агрегаты типов DanX и AF производства той же фирмы для бассейнов большей площади. Работа агрегатов основана на методе конденсации водяных паров, содержащихся в воздухе, при охлаждении его ниже точки росы. Используется принцип теплового удара, создаваемого при работе холодильного контура, образованного расположенными друг за другом испарителем и конденсатором.

Непосредственно процесс конденсации осуществляется при контакте увлажненного воздушного потока с холодной поверхностью испарителя. В дальнейшем, первоначально охлажденный воздух вновь нагревается на конденсаторе. Характерным является тот факт, что соответствующие энергетические переходы осуществляются в пределах рециркуляционного кольца без потери тепла. Наоборот, в качестве дополнительной компоненты теплового баланса выступает регенерация энергии за счет перехода скрытого тепла в явное при конденсации удаляемой влаги. Кроме того, также происходит преобразование электрической и механической энергии, связанной с работой компрессора и вентиляторов, в явное тепло. В результате количество тепла, отдаваемого на конденсаторе, превышает количество тепла, отбираемого на испарителе. Таким образом, наряду с осушением воздуха, осуществляется его подогрев. Агрегаты являются защищенными от коррозии, что достигается за счет конструктивного исполнения, которое отличается тем, что все стыки сделаны заподлицо. В агрегатах DanX и AF с этой целью предусмотрены соединения типа «ласточкин хвост» с использованием сбойных планок. Поскольку у оцинкованных изделий уязвимыми местами являются места резов и гибки, все детали агрегатов подвергаются горячей оцинковке после вырубки и окончательного формирования. В качестве дополнительной меры защиты предусматривается специальное эмалевое покрытие всех внутренних каналов, по которым осуществляется перемещение обрабатываемого воздуха.

Для оснащения подвалов и винных погребов, оборудуемых в частном доме, используются осушители адсорбционного типа. Дело в том, что у конденсационных осушителей воздуха с понижением температуры резко сокращается количество удаляемой влаги на 1 кВт потребляемой энергии. У адсорбционных осушителей указанная зависимость является прямо противоположной, хотя и менее выраженной по сравнению с конденсационными осушителями. Кроме того, эффективность конденсационных осушителей резко падает с уменьшением относительной влажности воздуха, в то время как у адсорбционных осушителей данная зависимость значительно слабее. В результате, адсорбционный метод более эффективен по сравнению с конденсационным методом при температуре 10-12°С и ниже независимо от относительной влажности. Аналогичное положение дел имеет место при относительной влажности 50% и ниже независимо от температуры. Таким образом, применение адсорбционных осушителей является оправданным в подвалах, винных и пивных погребах, морозильных камерах, овощехранилищах и т.п. Принцип действия адсорбционного осушителя основан на адсорбционных (влагопоглощающих) свойствах некоторых веществ-сорбентов. Имея пористо-капиллярную структуру с химическим импергированием, адсорбенты извлекают водяной пар из воздуха. По мере насыщения сорбента влагой эффекивность адсорбции снижается. Поэтому сорбент нужно периодически регенерировать, т.е. выпаривать из него влагу путем продувания потоком горячего воздуха. Конструктивно адсорбционный осушитель представляет собой моноблок с вращающимся внутри него ротором, который разделен на две неравные части: сухую и регенерирующую. Через ротор проходят два параллельных воздушных потока. Основной поток (подача влажного воздуха) проходит через сухую часть ротора, и осушенный воздух покидает агрегат. Регенерирующий поток, имеющий расход воздуха значительно меньше по сравнению с основным потоком, нагревается до 130-140°С, проходит через регенерирующую часть ротора, где аккумулированная им тепловая энергия используется для испарения адсорбированной воды. Далее водяной пар покидает агрегат вместе с гегенерирующим воздухом. Схема функционирования с использованием двух параллельных потоков и вращающегося ротора позволяет реализовать автоматически регулируемый процесс непрерывного поглощения воды в основном потоке и испарения воды в регенерирующем потоке.

Известны несколько поставщиков оборудования подобного рода, среди которых по совокупному показателю цена/качество выделяется фирма HB COTES (Дания), поставляющая широкий спектр агрегатов типа CR различных типоразмеров.

В заключение следует отметить, что сложившаяся практика проектирования и, тем более, перспективные инженерно-технические решения, связанные с климатическим оборудованием частного дома не нашли, к сожалению, отражения в действующей нормативно-технической документации.

Правила использования материалов сайта