Системы кондиционирования высотных зданий

Обеспечение высоток теплом, свежим воздухом и охлаждающими системами – процесс сложный, но тем более интересный для инженеров. Нужно продумать всё до мелочей и при этом учесть особенности высотных зданий. О том, какие решения сегодня применяются для выполнения поставленных задач, проще всего будет рассказать на конкретных примерах. Возьмём, например, здание башни Бурдж-Халифа, располагающееся в Дубае, и здание отеля Ritz-Carlton, располагающееся в Джакарте.

Оба здания были возведены в жарком климате, потому система кондиционирования для них важна как никогда. Однако при этом системы охлаждения в обеих постройках решены разным образом, что делает ещё более интересным сравнительный анализ инженерных подходов.

Башня Бурдж-Халифа

Начнём с высотки, располагающейся в Дубае – здание Бурдж-Халифа. Для неё была организована водяная система кондиционирования (вода в данном случае выступает в качестве холодоносителя). Холодильный отсек с чиллерами модели «вода-вода» располагается от здания отдельно. Чиллеры охлаждают воды приблизительно до +5°C и подаёт её специальными насосными станциями к зданию, для которого обеспечивается охлаждение.

Такая низкая температура нужна для того, чтобы компенсировать потери в теплообменниках. На выходе нагретая вода, проходящая из охлаждающего контура чиллера через теплообменники, нагревает морскую воду, которая впоследствии выбрасывается в лежащий поблизости Персидский залив.

Башня имеет высоту 828 м. Обслуживаются у неё не все этажи – последний этаж, нуждающийся в обслуживании, располагается на высоте 586 м. По этой причине гидростатическое давление водяного столба внизу башни могло бы достигать 60 атм. Для прочности трубопровода и приборной системы эти цифры, конечно, слишком высоки. Максимальный уровень давления в системах водяного холодоснабжения не должен превышать 10 атм (при испытаниях этот показатель увеличивают до 16 атм, чтобы оценить критические возможности системы). Так что даже если использовать самое прочное и надёжное оборудование, избежать повышения давления водяного столба в 4 раза было бы невозможно. Поэтому для того чтобы понизить этот уровень, инженеры разделяют водяной контур на семь частей.

Шесть технических зон разграничивают башню на приблизительно равные по высоте части. Каждая часть здания в высоту составляет примерно 100 м (это около 20-30 этажей). Это позволяло обеспечить нормальное гидростатическое давление воды в самой нижней точке каждой части башни.

Располагается система в технической части здания. Помимо теплообменников, в состав каждого холодильного контура входят насосы с резервированием. Расширительные баки способны компенсировать тепловое расширение и сжатие воды. Все необходимые датчики контролируются единой системой, при помощи которой контролируется и всё здание.

Ещё один довольно интересный факт о башне Бурдж-Халифа. Для неё специально разрабатывался уникальный аромат лучшими парфюмерами Giorgio Armani. Этот аромат подаётся на мембраны в системах приточной вентиляции. Так что здание обладает своим уникальным ароматом, который больше не встречается нигде.

Конденсат, который образуется от охлаждения вентиляционного воздуха, просто так в канализацию не выбрасывается. Его используют для полива растений, для работы фонтана, который построен рядом с башней. Всего за год работы охладительной системы вырабатывается примерно 40 млн. литров конденсата в год, которым находится активное применение.

Здание отеля Ritz-Carlton

У отеля Ritz-Carlton в активном использовании находится несколько другая система охлаждения и кондиционирования воздуха — VRF (Variable Refrigerant Flow). Иначе эту систему ещё называют переменным потоком хладагента. Концепция тут состоит в модульности – каждый этаж обслуживается независимым холодильным контуром, имеющим три наружных блока. Снаружи блоки вмонтированы на каждом этаже (для них отведены специальные балконы).

Воздух, который охлаждает наружные блоки, забирается с одной стороны балкона и затем выбрасывается с другой стороны (это не даёт смешиваться холодному и тёплому потокам). В среднем температура в Джакарте поднимается до отметки +38°C при относительной влажности равной 80%. Это значит, что энтальпия наружных воздушных масс просто запредельная, так что охлаждение нужно постоянное (и дополнительно ещё и осушение приточных потоков воздуха). Избыток тепла и поддержка нужной температуры в помещении выполняется при помощи внутренних блоков VRF-системы.

Сравнительный анализ систем

Оценивать системы нужно по нескольким важнейшим параметрам, которые позволят добиться максимальной эффективности в случае с охлаждением воздуха в высотках, располагающихся в жарком климате.

Эффективность расхода энергии

Любой инженер с первых дней своей работы знает, что чем ближе источник и приёмник холода, тем будет лучше с точки зрения энергоэффективности. Стандартные величины, актуальные для охлаждающих конструкций любого типа или отношение максимальной производительности по холоду к максимальному энергопотреблению всей системы можно по специальной формуле.

Например, для башни Бурдж-Халифа производительность охлаждения равна 45 МВт, а потребление энергии при этом стремится к 28 МВт. В таком случае искомый коэффициент будет равен 1,61, что довольно мало.

Почему мы получаем такие результаты? На это влияют следующие основные факторы:

• Процент теряемой энергии на привод насосов. От источника холода (он же чиллер) до приёмника холода (он же фанкойл) расстояние получается огромным – чуть больше километра. Точнее даже, что источником холода в данном случае будет не столько чиллер, сколько вода, забираемая из Персидского залива, поскольку именно туда идёт сброс тепла от башни. Насосам, чтобы перекачать всю эту воду, требуется много энергии.
• Потери для теплопередачи. Диаметр трубопровода, подающего охлаждённую воду, составляет примерно метр. Температура окружающего воздуха доходить до отметки 50°C и более. Ни одна, даже самая эффективная, теплоизоляция с такими условиями не справится, так что и теплопотери будут неизбежными.
• Многоэтапная система циркуляции холодоносителя. Для того чтобы снизить гидростатическое давление в здании, требуется применение разделения для систем охлаждения. Разделение происходит по высоте на отдельные контуры. Каждый контур оснащён насосом, который потребляет энергию. Стандартная система предусматривает один или два циркуляционных контура, а в данном случае в систему включено сразу восемь контуров. Так что и энергопотребление будет выше в четыре раза.
• Отсутствие регулировки расхода холодоносителя. Насосы всегда обеспечивают максимальную подачу расхода холодоносителя, так что и электроэнергия потребляется на полную.
• Перепады температур на чиллерах. Стандартно температурные показатели входящей и выходящей воды в охладителях составляют около 7-12 градусов. Однако в данном случае они будут варьироваться в пределах 5-14 градусов, поскольку 2 градуса теряются на многоступенчатой теплопередаче. Для охлаждения воды до 5 градусов энергии потребуется больше, чем для охлаждения 7 градусов.

Таким образом, становится понятно, что перед инженером, обустраивающим систему охлаждения и кондиционирования башни Бурдж-Халифа, не стояло задачи сэкономить. Экономичность здания изначально во внимание не принималась. Кроме того, в стране электроэнергия отличается низкой стоимостью. Так что основной целью здесь было построить самое высокое и комфортабельное здание в мире. И цель эта была с успехом достигнута, в том числе, благодаря инженерам-проектировщикам, занимавшимся организацией системы охлаждения и кондиционирования (климат в ОАЭ не отличается комфортом).

Аналогичным образом можно провести анализ системы охлаждения и кондиционирования для здания отеля Ritz-Carlton, которое тоже расположилось в весьма жарком климате. Рассчитать энергоэффективность в данном случае можно и на примере одного типового этажа. На одном этаже установлены две комбинированные системы VRF. Производительность наружных блоков составляет 90 кВт у каждой. Кроме того, имеется прямоточная канальная установка, в задачи которой входит подача свежего воздуха. Её производительность составляет 28 кВт.

Итого имеет примерно 208 кВт на одном этаже – это максимальная холодопроизводительность. Энергопотребление при этом составляет 65 кВт. Коэффициент равен 3,2, что аж в два раза выше, чем в случае с башней Бурдж-Халифа. Откуда такие показатели эффективности? На это влияют следующие факторы:

• В системе присутствует лишь один циркуляционный контур. Потенциал охлаждения нет нужды терять в многочисленных теплообменниках различного типа. Хладагент с одной стороны здания испаряется и охлаждает воздух внутри, а с другой стороны конденсируется и сбрасывает тепло наружу.
• Расход холодоносителя регулируется. Система настроена таким образом, чтобы подавать такое количество фреона, которое необходимо для охлаждения в данный момент. Энергия при этом не тратится.
• Температурные показатели кипения и температурные показатели конденсации максимально приближены к показателям температуры охлаждаемой и нагреваемой среды. В данном случае, чем ближе температура кипения и конденсации, тем меньше энергии будет потреблять система (в частности, компрессор) на сжатие. Отсюда и более высокий холодильный коэффициент.

Уровень компактности

Не менее важна и компактность всей системы охлаждения. Башня отвела под все инженерные конструкции аж 19 технических этажей. В среднем площадь одного этажа в здании составляет 2790 м². Получается, что на все технические этажи владельцам пришлось выделить площадь, равную 53010 м². На технических этажах имеются не только охладительные конструкции, но и системы водоснабжения и водоотведения. Однако большая часть всё же отведена именно охладительным конструкциям (около 90% от площади). Так что за коэффициент можно взять 0,9 и провести простое вычисление: 53010×0,9 = 47709 м².

Техническая площадь, на которой располагаются все конструкции, составляет около 14 м². Всего этаже насчитывается 162. Так что бесполезно теряемая на транзитные воздуховоды площадь будет составлять 14×162 = 2268 м². Плюс ещё нужно учесть площадь холодильного центра — 5100 м². Итого имеем 47709 + 2268 + 5100 = 55077 м². Делим всё это на общую площадь всего здания (454249 м²) и получаем 12%. Так что теряется примерно 12%.

Аналогичным образом можно рассчитать потери для здания отеля. Просто рассчитываем всё для одного этажа и затем умножаем на общее количество этажей. Площадь одного этажа составляет около 860 м². На балконы уходит по 24 м². Никаких транзитных трубопроводов нет, так что полезная площадь в данном случае не тратится. Транзитные воздуховоды тоже отсутствуют из-за поэтажной разводки. Остаются только вытяжные воздуховоды, на которые уходит 3 м² для каждого этажа. Итого имеем по 27 м² (примерно 3% от всей площади здания). Это в 4 раза компактнее, чем в случае с башней Бурдж-Халифа.

Другие особенности организации систем охлаждения в высотках

Чем выше здание, тем более оно открыто для массивных воздушных потоков. А вместе с тем и для сильного ветра. Момент силы для здания с такой высотой также получается выше, поэтому аэродинамика и устойчивость здания становятся основополагающими факторами при строительстве.

Осевые вентиляторы, которыми оснащены наружные блоки, имеют максимальный напор, составляющий 80-120 Па. Этого хватит для здания высотой до 200 м. Для более высоких зданий с учётом напора ветра и других нюансов этого может оказаться недостаточно. Так что лучше оснастить здание дополнительными вентиляторами центробежного типа. Принять во внимание также следует и возможный перегрев верхних этажей от тепла наружных блоков, располагающихся на этажах ниже.

Заключение

Организация систем охлаждения для высотных зданий, расположенных в жарком и влажном климате – это одна из основных задач инженеров-проектировщиков. Без этих систем здание будет просто непригодно к использованию. При организации важно учитывать не только конструктивные особенности самой постройки, но и энергоэффективность, а также экономию полезного пространства.