Системы вентиляции и кондиционирования воздуха в жилых зданиях
В связи с ростом уровня жизни определенных слоев населения все больше жилых помещений оборудуются системами кондиционирования воздуха. Все жилые здания можно разделить на три большие группы:
- высотные многоквартирные здания;
- малоэтажные многоквартирные блокированные здания (таунхаусы);
- индивидуальные здания коттеджного типа.
В свою очередь, высотные многоквартирные жилые здания могут быть массового строительства и элитные.
Система обеспечения микроклимата помещений жилого здания должна круглогодично предусматривать постоянный приток чистого свежего воздуха, создание и поддержание комфортных условий. Техническая реализация этих задач определяется уровнем требований к поддержанию расчетных внутренних условий.
Ливчак И. Ф. и Наумов А. Л. сформулировали основные положения, которые следует учитывать при проектировании и устройстве систем вентиляции жилых многоэтажных зданий. Эти положения можно отнести ко всем типам жилых зданий, их следует учитывать и при проектировании систем кондиционирования воздуха.
1. Система вентиляции - один из основных факторов инженерного обеспечения зданий, который определяет комфортность среды обитания и здоровье жителей.
2. Расход теплоты на вентиляцию современных квартир соизмерим, а в ряде случаев превышает, трансмиссионные теплопотери жилых зданий.
3. Потребность квартир в вентиляции, связанная с режимом их эксплуатации (приготовление пищи, стирка, переменное количество людей в течение суток и др.), характеризуется широким диапазоном необходимого воздухообмена, меняющегося по отдельным помещениям квартиры в течение суток. Минимальный воздухообмен в квартире должен обеспечить удаление из помещений вредностей, выделяемых строительными конструкциями, отделочными материалами, мебелью и т. п. (радон, фенол формальдегиды и др.). Минимально необходимый воздухообмен может быть принят по данным стандарта НП «АВОК» «Организация воздухообмена в квартирах многоэтажного жилого дома». Потребная глубина регулирования воздухообмена в квартире в большинстве случаев находится в диапазоне 10-100%.
4. Жители должны иметь возможность контролировать и регулировать воздухообмен вне зависимости от гравитационного и ветрового перепада давления в квартире и снаружи.
5. Движение воздуха в квартире должно быть организовано таким образом, чтобы направление потоков приточного воздуха из жилых помещений было направлено в зоны выделения вредностей на кухню, в ванные комнаты, туалеты. Интенсивность удаления воздуха из отдельных загрязненных зон не должна «опрокидывать» вытяжку из других. Например, включение надплиточного зонта на кухне не должно существенно снижать объем удаляемого воздуха в ванной комнате и туалете.
6. Организация воздухообмена не должна приводить к ухудшению акустического режима и должна предусматривать меры как по защите от «городского» шума, так и от шума, генерируемого системами механической вентиляции.
В зданиях массового жилищного строительства кондиционирование воздуха обычно не применяется, так как ограничиваются минимальным уровнем требований, который обеспечивают системы отопления и вентиляции. В настоящее время очень остро стоит проблема вентиляции жилых зданий в связи с реализацией мероприятий по тепловой защите зданий и применения окон с высокими теплозащитными свойствами и низким значением сопротивления воздухопроницанию. После реализации мероприятий по теплозащите здания величина расхода теплоты на нагревание инфильтрующегося воздуха стала сопоставимой с потерями теплоты за счет теплопередачи через ограждающие конструкции и в некоторых случаях превышает последние.
СНиП 2.08.01-89 «Жилые здания» рекомендует следующую схему организации воздухообмена квартир, которая и принята в массовом жилищном строительстве. Наружный воздух поступает через неплотности в окнах и балконных дверях жилых комнат и удаляется через вытяжные решетки и каналы в кухнях, ванных комнатах и санузлах из зоны его наибольшего загрязнения. Таким образом, обеспечивается воздухообмен во всем объеме отдельно взятой квартиры. Внутриквартирные двери, как правило, открыты или имеют подрезку дверного полотна, уменьшающую их аэродинамическое сопротивление в закрытом положении. Так, например, щель под дверями ванной и уборной должна быть не менее 0,02 м высотой. Наружный воздух, поступающий через неплотности наружных ограждений (окон, балконных дверей), нагревается в помещении до температуры внутреннего воздуха, количество теплоты, необходимое для его нагревания, компенсирует система отопления.
{mospagebreak}
С переходом на пластиковые окна с повышенным сопротивлением воздухопроницания эта схема организации воздухообмена не работает, так как даже на первом этаже многоэтажных зданий количество инфильтрующегося воздуха значительно меньше нормируемого воздухообмена жилой комнаты. Альтернативой этому решению стала механическая вытяжная вентиляция с организован-ным притоком очищенного от пыли наружного воздуха через приточные отверстия, клапаны или аппараты. В Западной Европе вентиляция жилых многоэтажных домов по схеме «активная механическая вытяжка - пассивный приток» получила широкое распространение. Приточные клапаны встраиваются в створку окна, под подоконной доской, в стену жилых комнат. Клапаны могут быть оборудованы шумоглушителями и ограничителями расхода приточного воздуха при увеличении скорости лобового ветра. Вытяжные решетки или клапаны устанавливаются в вентиляционных каналах кухни, ванны, санузла.
Для обеспечения устойчивой работы системы вентиляции, открытия приточных клапанов необходимо создать отрицательный перепад давлений внутри квартиры и снаружи (разрежение), поэтому вытяжная вентиляция устраивается механической с установкой вентилятора на один или группу вентиляционных каналов. В последнем случае структура вытяжной вентиляционной сети сохраняется такой же, как это принято при естественной вытяжной вентиляции многоэтажных зданий, то есть схема, включающая в себя вертикальный сборный канал - «ствол» С боковыми ответвлениями - «спутниками». Воздух поступает в боковое ответвление через вытяжное отверстие, расположенное в кухне, ванной комнате или туалете, и, как правило, в междуэтажном перекрытии над следующим этажом перепускается в магистральный сборный канал. Такая схема значительно компактнее системы с индивидуальными каналами. В качестве побудителя движения воздуха могут быть установлены крышные вентиляторы. Для снижения уровня звуковой мощности, излучаемой вентилятором, перед ним по ходу воздуха предусматривается шумоглушитель. С целью снижения расхода электроэнергии при неравномерной нагрузке в вентиляционной сети, когда отключаются отдельные вентиляционные клапаны и каналы по сигналу датчика температуры и относительной влажности в помещениях, применяют электронно регулируемый электропривод вентилятора, работающий по импульсу датчика разряжения в нижней точке системы. Это приводит к росту единовременных затрат на систему вытяжной вентиляции, но дает существенную экономию электроэнергии в процессе эксплуатации жилого здания.
Индивидуальная установка вытяжных вентиляторов в помещении кухни, ванной комнаты и санузла требует индивидуальных вытяжных вентиляционных каналов, для недопущения перетекания воздуха при одновременной работе нескольких вентиляторов. Поэтому применение такой схемы ограничивается из-за возрастания числа каналов с увеличением этажности здания. Положительными сторонами такого рода системы являются, во-первых, возможность периодической работы вентиляции, например, по датчику влажности в помещении, при ручном включении вентилятора или при включении света, и, во-вторых, установка вентилятора в зоне ответственности самого потребителя. При выключенном вентиляторе такая система может работать как естественная вытяжка, поддерживая минимальный воздухообмен. В то же время она считается нецелесообразной из-за шума канальных вентиляторов в квартире и большой протяженности напорных вытяжных воздуховодов по зданию. Такая схема плохо сочетается с центральной механической приточной системой из-за дисбаланса, возникающего при периодической работе вытяжной вентиляции такого типа.
Периодическая работа системы вентиляции «активная механическая вытяжка - пассивный приток» по команде датчиков снижает общий расход теплоты на нагревание наружного воздуха. Дополнительная экономия тепловой энергии на нагревание вентиляционного воздуха достигается при индивидуальном регулировании производительности приточных клапанов. Клапаны снабжаются поворотной шиберующей пластиной, позволяющей уменьшить расход воздуха в отдельном помещении или во всей квартире. Возможность индивидуального регулирования воздухообмена в зависимости от режима эксплуатации квартиры дает ощутимую экономию (20-30%) тепловой энергии на нагревание вентиляционного воздуха.
Достоинством таких систем также являются простота и низкая стоимость вентиляционного оборудования, что и объясняет широкое применение таких решений в массовом жилищном строительстве жилых многоэтажных зданий, в том числе и в России.
Постоянно работающая система вентиляции квартир с использованием приточных клапанов, встроенных в створки окон или наружные стены, при низких температурах наружного воздуха мо-жет привести к тепловому дискомфорту, связанному с неравномерным распределением температуры и скорости движения воздуха в помещениях. Приточные отверстия испытывают значительное влияние ветровых и гравитационных нагрузок, что приводит к нестабильности воздушного и теплового режима помещений.
{mospagebreak}
При неравномерном срабатывании вытяжных вентиляционных клапанов в отдельных квартирах изменяется характеристика вентиляционной сети, что приводит к перераспределению потоков воздуха и отклонениям воздухообмена в других квартирах. В Западной Европе ограничивают эффективную область применения таких систем вентиляции районами с температурой наружного воздуха не ниже -10 С. В Москве по инициативе и поддержке АВОК и Правительства Москвы построен экспериментальный семнадцатиэтажный пятисекционный жилой дом общей площадью 25000 м2 серии 111-355.МО в микрорайоне Никулино-2, оснащенный системой механической вытяжной вентиляции с регенерацией теплоты удаляемого воздуха в тепловом насосе и использованием ее на нужды отопления и горячего водоснабжения. При этом приток наружного воздуха осуществляется естественным путем через автоматические регулируемые воздухозаборные устройства.
Специалисты все более склоняются к необходимости устройства механической регулируемой приточно- вытяжной вентиляции с регенерацией теплоты удаляемого воздуха. Опыт использования подобных установок есть в Европе, в таких странах, как Германия, Швеция, Австрия. В течение последних лет АВОК на страницах печати постоянно обсуждает вопрос целесообразности и необходимости механической приточно-вытяжной вентиляции в жилых и общественных многоэтажных зданиях как альтернативу естественной вентиляции. По инициативе АВОК построен экспериментальный объект, на котором проводятся натурные исследования микроклимата и энергоаудит: 18-этажный 264-квартирный жилой дом на Красностуденческом проезде с индивидуальными поквартирными приточно- вытяжными системами вентиляции с регенерацией теплоты удаляемого воздуха.
В России оборудование жилых зданий приточными механическими системами вентиляции пока происходит значительно реже, чем механическими вытяжными, так как это существенно удорожает проект за счет стоимости самой системы, места для приточной установки и площадей, необходимых для прокладки воздуховодов.
Преимуществами механических приточных систем являются:
- гарантированная подача требуемого количества приточного воздуха в каждую квартиру;
- возможность очистки от пыли приточного воздуха и уменьшение аллергических заболеваний;
- возможность подачи в помещение нагретого или охлажденного воздуха, исключающего дутье вне зависимости от погодных условий на улице;
- возможность энергосбережения за счет регенерации теплоты удаляемого воздуха для нагревания приточного;
- возможность регулирования воздухообмена в помещениях и общего расхода воздуха в системе с целью снижения расхода электроэнергии и теплоты.
К недостаткам, кроме высокой стоимости, следует отнести затраты электроэнергии на перемещение приточного воздуха, а также возможные дополнительные потери теплоты и холода при транспортировке воздуха в воздуховодах и приточной камере, которая размещается в подвале или на верхнем техническом этаже.
Механическая приточно-вытяжная вентиляция (кондиционирование воздуха) для жилых многоэтажных зданий может быть центральной, местно-центральной или индивидуальной для каждой квартиры.
В центральной системе приточные металлические воздуховоды - стволы со «спутниками» -располагаются внутри квартиры в технических шахтах, из которых выполняется раздача приточного воздуха непосредственно в комнаты. При этом разводка приточных воздуховодов осуществляется за подшивным потолком внутриквартирного холла. В высоких зданиях на каждую зону по высоте в 10-12 этажей проектируются самостоятельные стволы приточных воздуховодов. В приточной камере воздух фильтруется в сухих фильтрах класса от G5 до F7 включительно, нагревается в воздухонагревателях в холодное время года, возможно также централизованное охлаждение наружного воздуха в воздухоохладителях в теплое время года.
С целью снижения расхода теплоты на нагревание воздуха и расхода холода на охлаждение целесообразно применить регенерацию теплоты удаляемого воздуха, что невозможно осуществить в системах вентиляции с естественным неорганизованным или организованным притоком наружного воздуха. Вентилятор приточной системы подбирается с учетом потерь давления во всех элементах сети, в том числе и внутри квартирных воздуховодах. Как правило, это центробежный вентилятор двухстороннего всасывания центральной приточной установки с нерегулируемым числом оборотов и постоянным расходом воздуха.
{mospagebreak}
В условиях неравномерной нагрузки, связанной с переменным режимом функционирования отдельных жилых ячеек (приготовление пищи, купание, стирка, сон, активный отдых) система центральной приточной, а для обеспечения баланса воздуха и центральной вытяжной вентиляции, работает с постоянным расходом воздуха, что не способствует энергосбережению. Отключение по инициативе жильцов отдельных ответвлений приточных воздуховодов и вытяжных вентиляци-онных каналов может привести к гидравлической разрегулировке всей системы в целом и не обеспечению требуемых расходов воздуха по помещениям, к дисбалансу общего расхода приточного и удаляемого воздуха, что скажется на эффективности теплообменника регенерации теплоты.
Местно-центральные системы с вентиляторными доводчиками (фэнкойлами) также могут применяться в жилых многоэтажных зданиях. Возможна подача наружного воздуха в помещение через наружные воздухоприемные решетки в смесительную камеру фэнкойла или по воздуховодам от центрального кондиционера в размере минимального воздухообмена. Вентиляционные доводчики могут работать как отопительные приборы в холодное время года. Недостаток таких систем - шум, создаваемый вентиляторами фэнкойлов в жилых помещениях, опасность отказа системы при отключении электроэнергии в режиме отопления.
Вариант с поквартирными приточно-вытяжными системами и регенерацией теплоты удаляемого воздуха лишен недостатков, присущих центральным и местно-центральным системам. Требуемое количество удаляемого воздуха забирается из помещений с высоким содержанием влаги и загрязнений (кухни, санузла, ванной комнаты), а затем охлаждается в теплообменнике. При этом происходит конденсация водяных паров, содержащихся во влажном воздухе, и выделение скрытой теплоты, охлажденный воздух выбрасывается наружу. Такое же количество предварительно очищенного от пыли и, при необходимости, подогретого наружного приточного воздуха нагревается в теплообменнике и подается в жилые помещения, спальные и детские комнаты. Особый режим вентиляции предусматривается для помещения кухни. При приготовлении пищи в работу включается зонт над кухонной плитой, оборудованный самостоятельным вентилятором. Для удаления воздуха от таких зонтов и исключения жировых отложений на стенках вентиляционных каналов и поверхности теплообменника регенерации теплоты и вентилятора, как правило, предусматриваются отдельные воздуховоды, не связанные с системой общеобменной вытяжной вентиляции кухни. Приток при работающем зонте предусмотрен через окна или специальные приточные элементы. Отдельные агрегаты могут работать без опасности замерзания образующегося конденсата до температуры наружного воздуха -15 С, при более низкой температуре необходим дополнительный подогрев наружного воздуха, который осуществляется в водяном или электрическом воздухонагревателе. Есть установки, в которых предусмотрен подогрев удаляемого воздуха для предотвращения замерзания конденсата. Соответствующие компактные приточно-вытяжные агрегаты с регенерацией теплоты удаляемого воздуха располагаются в пространстве подшивного потолка коридора, на чердаках, в подвалах или во вспомогательных помещениях.
Может быть достигнута значительная экономия электроэнергии и топлива при изменении расхода приточного и удаляемого воздуха в системе механической вентиляции в условиях неравномерной заполняемости отдельных помещений или всего объема квартиры (индивидуального жилого дома) в течение суток, переменного технологического режима эксплуатации отдельных помещений (кухни, ванной комнаты, гаража). Поэтому, наиболее перспективно применение установок, в которых предусмотрена возможность регулирования расхода приточного и удаляемого воздуха в соответствии с изменяющейся нагрузкой в отдельной квартире многоэтажного жилого дома, индивидуального жилого дома или индивидуальной жилой секции.
Таким образом, поквартирная система механической приточно-вытяжной вентиляции жилого здания обладает следующими преимуществами перед другими системами вентиляции:
- вентилирование всего пространства квартиры и отдельных ее помещений в соответствии с потребностями;
- подача в помещение очищенного от пыли и подогретого наружного воздуха;
- переменный расход приточного и удаляемого воздуха в соответствии с изменяющейся нагрузкой;
- программное регулирование расхода приточного и удаляемого воздуха по часам суток в соответствии с заполняемостью помещений людьми;
{mospagebreak}
- экономия электроэнергии и топлива за счет регулирования расхода воздуха, а также регенерации теплоты удаляемого воздуха;
- сбалансированная вентиляция в объеме квартиры, снижающая потери теплоты от инфильтрации наружного воздуха, способствующая высоким значениям коэффициента эффективности теплообменника;
- отсутствие гидравлической разрегулировки в вентиляционной сети;
- пожарная безопасность.
Для охлаждения воздуха в теплый период года поквартирная система механической приточновытяжной вентиляции может быть дополнена одним канальным или несколькими автономными кондиционерами типа сплит (только охлаждение или охлаждение и обогрев), требуемая холодопроизводительность которых должна определяться с учетом расхода холода на охлаждение наружного воздуха, подаваемого системой приточной вентиляции.
Стоимость таких установок достаточно высока, поэтому они пока мало используются в массовом жилищном строительстве, но могут быть с успехом применены при строительстве элитного жилья. Сплит системам свойственны такие недостатки, как наличие наружных блоков на фасаде зданий, необходимость отвода конденсата, шум и трудность обслуживания.
Вариантов технических решений системы кондиционирования воздуха индивидуальных жилых домов, к которым можно отнести и отдельные одноквартирные секции многосекционных жилых зданий типа «таунхаус», множество. Выбор технического решения зависит от уровня требований к микроклимату в помещениях и финансовых возможностей индивидуального заказчика.
В нормативном документе «Нормы и правила проектирования коттеджной застройки» (Дополнение N1 к МГСН 1.01-98 и Дополнение N3 к МГСН 3.01-96) отмечена, что устройства приточно-вытяжной механической вентиляции, кондиционирования воздуха, а также установок утилизации тепла (холода) вытяжного воздуха и других установок нетрадиционной энергетики определяется заданием на проектирование.
Основными требованиями индивидуального заказчика являются:
- отсутствие внутренних блоков, скрытая установка оборудования, не влияющая на интерьер помещения;
- отсутствие на фасадах здания наружных блоков;
- возможность индивидуального регулирования температуры воздуха в помещениях;
- подача чистого свежего воздуха в помещения;
- малый уровень шума в помещениях, особенно в спальнях.
Немаловажной для заказчика является экономия затрат при эксплуатации системы кондиционирования воздуха, отопления и горячего водоснабжения. Поэтому уже на стадии проектирования следует закладывать принципиальные технические решения, направленные на энергосбережение. В настоящее время существует практика раздельного проектирования систем отопления, горячего водоснабжения, вентиляции и кондиционирования воздуха всех зданий, в там числе и коттеджей, что не позволяет принять экономичное и эффективное техническое решение.
Возможные варианты технических решений системы .обеспечения микроклимата индивидуального жилого здания (коттеджа):
- устройство независимой системы водяного отопления с отопительными приборами, трубопроводами, автономным или централизованным источникам теплоты, систем приточной и вытяжной вентиляции, кондиционирования воздуха с использованием кондиционеров сплит-систем, мультизональных систем типа VRV, в там числе с внутренними блоками канального типа;
- устройства независимой системы отопления и центральной системы кондиционирования воздуха, обслуживающей все помещения здания, с одним или несколькими центральными кондиционерами, как правила, подвесного типа, максимальный расход воздуха в которых определяется из расчета на удаление теплоизбытков из помещений здания, система должна быть с переменным расходом воздуха;
- устройство водовоздушной системы кондиционирования воздуха с вентиляторными доводчиками (фэнкойлами, напольными конвекторами) и подача в помещения воздуха в размере санитарной нормы на одного человека, что мажет быть осуществлена центральной системой кондиционирования воздуха, центральной приточной установкой, поэтажными компактными приточно-вытяжными агрегатами со встроенными рекуператорами или непосредственно через фэнкойлы со смесительной камерой. Такая система обеспечивает отопление и охлаждение помещений коттеджа круглогодично.
{mospagebreak}
Преимущества водовоздушной системы кондиционирования воздуха с фэнкойлами в полной мере проявляются для одноквартирных жилых зданий (коттеджей) так как возможно не только обеспечить отопление и охлаждение помещений, на и частично обеспечить подогрев воды в системе горячего водоснабжения. Теплота конденсации безвозвратно выбрасывается в атмосферу в сплит-системах, в большинстве установок мульти сплит-систем типа VRF с воздушным охлаждением конденсатора, в чиллерах с воздушным охлаждением конденсатора. В водовоздушных системах кондиционирования воздуха коттеджей теплоту конденсации возможно использовать для подогрева воды на нужды горячего водоснабжения, выбирая чиллер соответствующего типа: с водяным охлаждением конденсатора или с воздушным охлаждением конденсатора и полной регенерацией теплоты конденсации. С энергоэкономичной точки зрения, совместное использование теплоты и холода, вырабатываемое чиллером, повышает эффективность инженерных систем здания, уменьшает срок окупаемости капитальных вложений.
Перспективным является использование для жилых зданий системы вентиляции или кондиционирования воздуха с переменным расходом воздуха. В отличие от общественных зданий механическая система вентиляции в жилом здании должна работать круглосуточно. В то же время жилым зданиям свойственна существенная неравномерность заполнения помещений людьми как по часам в течение суток в одной квартире, так и по помещениям в квартире повышенной комфортности в отдельные часы суток. Система механической приточной вентиляции проектируется на расчетные условия и максимальный требуемый воздухообмен, определяемый на основе составления баланса воздуха по притоку и вытяжке в отдельно взятой квартире, одноквартирной секции или индивидуальном жилом здании. При этом характерны следующие средние значения кратности воздухообмена для одноквартирных блок-секций и индивидуальных жилых зданий: минимальное значение 0,4-0,45, среднее значение (номинальный режим) 0,65-0,7 и максимальное значение 0,8-0,9. Увеличение минимального значения кратности воздухообмена по сравнению со значением 0,35, рекомендованным Стандартом АВОК, до 0,4 связано с ограничениями по глубине регулирования расхода воздуха, перемещаемого вентилятором, для большинства вентиляторов глубина регулирования допускается не менее 50%.
С целью экономии расхода теплоты и электроэнергии в процессе эксплуатации с учетом нерав-номерности заполнении людьми следует предусматривать регулирование количества подаваемого в помещения квартиры воздуха, что становится реально возможным с применением системы механической приточной вентиляции. Также целесообразно применить регенерацию теплоты удаляемого воздуха в механической приточной системе вентиляции, при этом изменение количества воздуха через теплообменник в сторону уменьшения приводит к росту его коэффициента эффективности и увеличению количества отбираемой теплоты. Таким образом, система вентиляции отдельной квартиры-секции, индивидуального жилого дома должна проектироваться с переменным расходом воздуха и регенерацией теплоты удаляемого воздуха.
Расчетный расход воздуха в воздушной системе кондиционирования воздуха будет всегда больше, чем расход воздуха в системе механической приточной вентиляции, так он определяется из расчета удаления максимальных теплопоступлений в помещении. Минимальный расход воздуха в системе с переменным расходом приточного воздуха будет всегда больше минимально необходимoгo расхода наружного воздуха, так как первый определяется из расчета удаления минимальных теплопоступлений в помещении. Суммарный расход воздуха необходимо определять с учетом неравномерности временной и пространственной нагрузки на СКВ. Регулирование расхода воздуха, подаваемого в помещение, в традиционных системах кондиционирования воздуха с переменным расходом осуществляется только по датчику температуры воздуха в помещении. Для жилых зданий СКВ с переменным расходом воздуха должна предусматривать регулирование также и по датчику концентрации углекислого газа в помещении.
