Охлаждение офиса
Проблема охлаждения перегретого офисного пространства имеет не только техническую сторону, но и в значительной степени социально‑психологическую составляющую.
Так типовым решением охлаждение помещения является установка настенного или потолочного фанкойла (вентиляторный охладитель), из которого хлещет компактная струя (струи) холодного воздуха.
Температура такой струи составляет +19С в номинальном режиме, при этом температура в помещении +29С.
В среднем температура в помещении считается около +24С.
То есть у кого‑то жара +29С, а кому‑то в шею или в ухо дует поток с температурой +19С.
Именно такой сильный разброс климатических параметров внутри одного пространства вызывает серьёзные конфликт между работниками в этом помещении.
В итоге система охлаждения‑кондиционирования в таких офисах никогда не работает на максимальном режиме из‑за периодических отключений её теми «кому дует», что приводит к постоянному состоянию перегрева офисов летом.
Техническую проблему физиологического дискомфорта можно решить, для чего потребуется как‑то более равномерно распределять потоки холодного воздуха по помещениям.
Так можно поставить много маленьких фанкойлов по всей площади офиса, вместо более крупных блоков.
Вот только такое «распределение» будет значительно удорожать систему в целом, что сильно не понравится заказчикам проекта и эксплуатирующей организации.
Тепловой поток и расход воздуха через фанкойл при охлаждении офисного помещения 6х6м
Рассмотрим вопрос кондиционирования стандартного офисного помещения на примере уже ранее введённого типового модуля 6×6м.
Так при расположении в этом модуле 6 рабочих мест (норма 6м2/чел) и явных тепловыделениях от человека 100Вт, от компьютера 250Вт, от электроосвещения 120Вт (20Вт/м2) получим общие тепловыделения на модуль
N=(100+250+120)*6=2820Вт
То есть общая нагрузка на кондиционер составит всего около 3кВт явного теплового потока.
В этом подсчёте мы игнорируем теплоту конденсации испарений от людей 50*6=300Вт, и охлаждение с осушением уличного воздуха подаваемого приточной вентиляцией.
Рассчитаем поток воздуха для снятия 3кВт тепла на перепаде дТ=29-19=10С
V= 3/(1,2*10)=0,25м3/с или 0,25*3600=900м3/ч
То есть если общий расход расход воздуха через фанкойл составляет 900м3/ч, то на одного человека расход составит 900/6=150м3/ч.
Таким образом видно, что расход по системе охлаждения должен быть как минимум в 2,5 раза больше, чем положено по самой жёсткой вентиляционной норме.
Из чего можно сделать вывод, что функцию кондиционирования в помещения никаким образом нельзя возлагать на систему приточной вентиляции. Приточная вентиляция просто не может пропустить столь большие объёмы воздуха, как того требуется по расчёту для охлаждения помещения.
Подбор оборудования под расчётные нагрузки на охлажение по мощности и расходу воздуха через фанкойл
Попытаемся подобрать под полученный расход внутренний блок кондиционера (см.рис.1–2)
Так судя по характеристикам со страницы продавцов нам нужен кассетный блок мощностью 5,4кВт холода и расходом 1020/765/510 м3/ч (на разных скоростях вентилятора), то есть с небольшим запасом по расходу воздуха и большим избытком по мощности охлаждения (почти в 2 раза). (см.рис.1)
Или нужен кассетный блок мощностью 4,5 кВт холода и расходом 850/730/600 м3/ч (на разных скоростях вентилятора), то есть уже с небольшим недостатком по расходу воздуха и всё ещё полутора кратным избытком по мощности охлаждения (см.рис.2)
Рис.1. Характеристики фанкойла с максимальным расходом воздуха 1020м3/ч.
Рис.2. Характеристики фанкойла с максимальным расходом воздуха 850м3/ч.
Рис.3. Характеристики фанкойла с максимальной холодопроизводительностью 3,3кВт и расходом воздуха 510м3/ч.
Рис.4. Характеристики канального фанкойла с максимальной холодопроизводительностью 5,4кВт и расходом воздуха 1020м3/ч.
Если же подбирать по номинальной мощности в 3кВт холода, то мы получим вариант с явно недостаточным расходом воздуха 510/440/360 м3/ч (см рис.3)
Канальные фанкойлы дешевле кассетных, но для них нужны дополнительные затраты на воздуховодно-распределительную сеть (см.рис.4)
Получается, что уже просто для расчётного подбора оборудования нужно сильно увеличить типоразмер фанкойла по номинальной холодопроизводительности почти в 2 раза, а это почти невозможно объяснить ни заказчику, ни эксперту в государственной экспертизе.
Так никто из инвесторов не захочет платить больше в полтора раза ради мифического комфорта «каких-то людишек в офисе».
И это мы ещё даже не подошли к решению проблемы «Мне дует в шею»!!!
Офисная проблема «Мне дует в шею!!!»
Можно ли что‑то придумать, чтобы как‑то избежать опасного дутья холодной компактной струёй из потолочного фанкойла в офисе?
Да, решения такие есть, и не одно.
Решение №1
Первое, что приходит в голову, это вообще избавится от вентиляторов.
Для этого придумана система «охлаждаемых панелей» или «холодные потолки». (см.рис.5)
Рис.5. Система «холодный потолок» из панелей заводского изготовления.
Рис.6. Картинка тепловых потоков из рекламного проспекта к системе «холодный потолок» из панелей заводского изготовления.
В этих системах использован принцип свободной конвекции, как и в обычных радиаторах отопления.
Правда из-за обратного направления теплового потока система оказывается так же перевернутой, а именно: холодная панель устанавливается в самой перегретой зоне под потолком, а холодный и тяжёлый воздух от панелей опускается вниз за счёт естественной конвекции.
Также такие панели многократно крупнее радиаторов отопления того же помещения, что связано как с многократно большими теплоизбытками ( для офиса в разы больше, чем теплопотери зимой), так и с более чем 3-х кратно меньшим тепловым напором при теплопередаче:
у радиаторов дТ=(90+70)/2-20=60С,
у фанкойлов дТ=29-(12+7)/2=19,5С.
Дополнительным требованием при использовании панелей «холодный потолок» является необходимость обязательно работы приточной вентиляции с предварительно охлаждённым и осушенным воздухом, чтобы влажность воздуха в помещении была ниже точки росы при температуре самих охлаждающих панелей.
Подбор площади панелей «холодный потолок» под заданную мощность теплоизбытков
Можно рассчитать площадь «холодного потолка» и температурный режим его работы из расчёта мощности теплоизбытков 3кВт явного теплового потока.
Так при расчёте «холодных потолков» можно использовать ровно ту же методику, что и для «тёплых полов». Разница будет только в направлении теплового потока на разделе «воздух‑ поверхность».
Примем перепад температур на границе раздела воздух- потолок дТ=25-20=5С
где +20С- это температура панелей, +25С- температура воздуха в помещении.
В таком режиме коэффициент теплопередачи Ка=8,9Вт/м2*с (согласно СП60).
Тогда площадь холодного потолка составит:
S=3000/(5*8,9)=67 м2.
То есть нам явно не хватает площади потолков при данном перепаде температуры.
Следовательно расчётную температуру воздуха в помещении придётся поднимать до +29С, а температуру потолка снижать до +18С.
Тогда получим S=3000/((29-18)*8,9)=30 м2.
Получается , что практически весь потолок стандартного модуля 6х6 м нужно делать «холодным».
В принципе нам не жалко сделать весь потолок холодным.
Вот только какова будет цена этой конструкции?
Стандартные «холодные панели» делают из медных трубок и алюминиевых панелей‑радиаторов, что превращает всю систем в крайне недешёвое удовольствие.
При этом висящие над головой 30 м2 алюминиевых панелей с водой в медных трубках тоже не добавляют радости и красоты в офисное пространство.
Решение №2
В качестве панелей «холодного потолка» можно использовать непосредственно сами плиты перекрытия.
Данное решение с «холодными перекрытиями» идеально подходит для лечебных учреждений, где существует прямой запрет на обычные фанкойлы, так как их невозможно в ежедневном режиме обрабатывать хлорными дезинфектантами (согласно СанПиН).
Например, в Волгоградской области летом стоит такая жара, что больничные стационары закрывают на лето. Даже при наличии денег на систему охлаждения для больницы, всё равно не удаётся оснастить больницу системой с внутренними рециркуляцонными фанкойлами из‑за запрета СанПиН на системы с рециркуляцией.
Запрет на фанкойлы в медицине вполне оправдан. Так был случай, что в реанимационном отделении одной московской больницы внезапно поднялась смертность до 98%. При расследовании выяснилось, что причиной повышения смертности стал установленный в реанимации сплит‑кондиционер, внутренний блок которого стал рассадником внутрибольничной инфекции. Об этом был даже репортаж в Новостях по ТВ.
Для больниц требуются специальные дорогостоящие установки с абсолютными НЕРА фильтрами. Такие системы на столько дороги и громоздки, что их применение оправдано только для операционных и отдельных реанимаций. При этом под системы кондиционирования выделяют целый технический этаж над этажом соперблоками и реанимацией.
И только охлаждаемые полы и потолки (с обеих сторон «холодного перекрытия») способны решить проблему охлаждения в больницах с обычными койками без нарушения СанПиН. При этом работать такая система будет с высокой эффективностью по деньгам и с высокой надёжностью при эксплуатации.
К тому же пол в больницах моют ежедневно, а потому «охлаждаемый пол» с покрытием линолеумом или керамической плиткой прекрасно вписывается в норматив СанПиН по ежедневной обработке дезинфицирующими средствами.
Единственным существенным недостатком этого варианта является невозможность ремонта и обслуживания системы труб, замурованных в бетоне перекрытия или в стяжке пола, во время последующей многолетней эксплуатации здания.
Также водяной «холодный пол» неприменим в случае реконструкции систем ОВиК в существующих объектах без замены полов.
Для применения «охлаждаемых полов» нужно ещё на этапе строительства замуровать в конструкцию бетонных перекрытий трубки циркуляционного контура с водой, ровно также как и для системы «тёплый пол». (см.рис.7)
Рис.7. «Холодные потолки» в варианте исполнения как охлаждаемые перекрытия с вмурованными в пол трубопроводами для воды с графиком +7/12С.
Решение №3
В качестве промежуточного варианта в офисе можно применить систему «холодных потолков воздушного охлаждения».
В этом случае под перекрытием будут расположены тонкие металлические панели подвесного потолка, выше которых будет работать обычный кассетный фанкойл, охлаждающий эти панели сверху.
В такой системе металлические потолочные панели будут играть роль экранов- распределителей.
По такому подвесному потолку будет распределяться поток холодного воздуха от фанкойла по большой площади помещения равномерно через мелкую перфорацию в панелях и через широкую шель по краю подвесного потолка (см. Рис. 8-В)
Рис.8. Варианты реализации распределения «холода» по помещению в границах стандартного модуля 6×6м: А‑ распределение холодного воздуха по воздуховодной сети к нескольким диффузорам от одного канального фанкойла без декоративного подвесного потолка, Б‑ распределение холодного воздуха по воздуховодной сети к нескольким диффузором от одного канального фанкойла с декоративным подвесным потолком «Армстронг» 600×600мм, В‑ распределение холодного воздуха без воздуховодной сети по запотолочному пространству за декоративным металлическим подвесным потолком «Армстронг» 600×600мм к щелям по периферии помещения от одного кассетного фанкойла.
Такие панели легко могут быть выполнены из стандартного подвесного потолка с металлическими панелями 600×600 мм типа «Армстронг» или из металлического реечного потолка.
В случае подачи воздуха на потолок площадью 30м2 с периметром 5,5*4=22м при расходе 900м3/ч или 0,25м3/с (посчитано ранее) получим расход по периметру
0,25/22= 0, 011м3/м.п.*с.
То есть по периметру потолка будет вытекать очень медленный слой прохладного воздуха толщиной 3–5 см и со скорость 0,3..0,2м/с, который после выхода из щели будет медленно опускаться к полу как воздушный занавес.
Если панели будут ещё и с достаточно крупной перфорацией, то до края подвесного потолка вообще мало что будет дотекать, вытекая через мелкую перфорацию равномерно по площади потолка.
Так что размер и плотность перфорации для подвесного «охлаждаемого потолка» под фанкойл надо подбирать экспериментальным путём.
Если устройство подвесных потолков не предусмотрено вообще, при этом запотолочные коммуникации по решению дизайнеров остаются открытыми, то вместо плоского холодного потолка можно применить распределительную сеть из стальных воздуховодов (см.рис.8-А).
В варианте с воздуховодной сетью сами воздуховоды теплоизолировать не требуется.
В этом случае холодна поверхность воздуховодов также используется для распределённого охлаждения помещения вместо «холодного потолка».
Опасности образования конденсата на внешней поверхности холодных воздуховодах практически нет, так как при работе кондиционера влажность воздуха в помещении будет ниже температуры «точки росы» на воздуховоде.
Также вариант с распределением воздуха по воздуховодам применим при устройстве минераловатных панелей «Армстронг» или в гипсокартонных потолках. (см.рис.8-Б).
Гипсокартон и минераловатные панели Армстронг имеют плохую теплопроводность, а потому теплоотдача такого охлаждаемого потолка будет крайне невысока.
Жара от солнца летом
Приведённый расчёт для подбора системы охлаждения в офисе относится только к постоянной составляющей от непосредственного наполнения офиса людьми и электротехникой.
Но летом есть ещё и дополнительные теплопритоки от солнечного света.
Так через окна с солнечным светом может поступать очень большая тепловая мощность.
В случае применения модного сейчас в строительстве сплошного фасадного остекления (окна в пол) тепловой поток от солнца в расчётный офисный модуль 6×6м с потолками 3м может достигать:
(3*6)*0,5= 9кВт
Где 0,5 — это средняя плотность проникающего потока около 500 Вт/м2 (по СП) для остекления восточных и западных фасадов.
Получается, что для снятия притока тепла от солнца, придется увеличит мощность охлаждения в 4 раза. (см.рис.9-Г)
Это превращает офисное пространство в склад мощнейших фанкойлов в запотолочном пространстве.
Рис.9 Сравнение системы охлаждения в офисном модуле 6×6м при разных теплопритоках снаружи: В‑ отсутствие солнечных теплопритоков (северный фасад или постоянная тень от других зданий), Г‑ при сплошном фасадном остеклении на солнечной стороне.
Я бы не хотел работать в таком «жарко‑ледяном аду».
В борьбе с солнечным теплом гораздо разумнее уменьшать площадь остекления в 5 раз, то есть хотя бы до нормативной величины 22% от площади фасада.
И такие примеры есть в общедоступных и современных строительных объектах!
Яркий пример такого разумного подхода к площади остекления в борьбе с инсоляцией - это Минская библиотека (см.рис.10), где за модным сплошным остеклением проглядывает внутренняя стена из газобетонных блоков с маленькими и редкими окошками.
Ну, не требуется в библиотеке прямой солнечный свет!
А вот модный дизайн для столичного библиотечного здания вполне нужен, что и было достигнуто вычурной многогранной формой со сплошным остеклением.
Газобетонные блоки- это отличный по теплоизоляционным свойствам и одновременно прочный и лёгкий материал, широко используемый в современном строительстве во внешних теплозащитных стенах. Так что использование его в качестве такой внутренней стенки совершенно оправдано. К тому же в самой Белоруссии есть современный комбинат по производству газобетонных блоков.
Рис.10. Здание Минской государственной библиотеки. За сплошным фасадным остеклением видна внутренняя стена из газобетонных белых блоков, в которой установлены маленькие и редкие окна, что в разы снижает проблему теплоизбытков от солнечного света во внутренних помещениях летом, а так же в разы снижает теплопотери зимой.
В зданиях с фасадным остеклением сами стёкла на солнечной стороне здания рекомендуется покрывать светоотражающим напылением, которое вообще почти не пропускает световой поток внутрь.
Правда, в офисе с зеркальными стёклами за окном будут вечные «вечерние сумерки», что потребует включать освещение даже в солнечную погоду.
И такие здания в Москве тоже есть(см.рис.11-12)
Рис.11. Здание министерства в Москве по адресу ул.Щепкина,42. Построено в СССР в середины 1980-х. Снаружи видно остекление с характерным "медным" зеркальным блеском. Внутри здание выполнено центральное кондиционирование за счёт охлаждения приточного воздуха. Я в нём отработал несколько месяцев в 1996 году летом, было вполне комфортно по температуре даже в жару, так как компьютеров тогда повсеместно ещё не понаставили. Но через медно-зеркальные стёкла даже в солнечный день в окне виделись "вечерние сумерки".
Рис.12. Современные здания со сплошным фасадным остеклением в Москва-Сити. Справа выделяется здание с "медным" зеркальным остеклением. Что через "медно-зеркальные" стёкла плохо проходит свет хорошо видно на ночных снимках, где обычные стёкла ярко светятся от внутреннего света, а это жёлтое здание выглядит тускло освещённым изнутри.
Я работал в таком офисе. Ощущение от «вечного вечера» за окном возникало странное, но жары летом не было даже при прямых утренних лучах солнца с востока.
Вот только искусственный свет в офисе днём круглый год‑ это лучше, чем адская жара от солнца летом.
Тем более, что теплопоступления от электроламп мы уже учли в постоянных теплоизбытках в офисе при первоначальном расчёте нагрузки на систему кондиционирования.
