Разработка энергоэффективной концепции систем вентиляции и холодоснабжения для ТРЦ «Европейский»

В 2007 г. компанией «Вент-Дизайн» в кратчайшие сроки был разработан проект (стадия П) по разделам:

  • Вентиляция
  • Холодоснабжение
  • Отопление
  • Автоматизация и диспетчеризация всех инженерных систем и оборудования объекта
  • Акустический расчет шума на прилегающей территории жилой застройки от вентиляционного и холодильного оборудования

Площадь данного ТРЦ порядка 100 000 м?, в состав входит 2-х уровневая подземная автостоянка на 900 м/мест, 10 кинотеатров на 576 мест, боулинг на 24 дорожки, картинг площадью около 4000 кв.м, несколько ресторанов и кафе, торговые площади, 3 детские игровые зоны общей площадью 1620 кв.м, супермаркет на 1-м этаже. Особенностью проектируемого объекта являлись близкорасположенные жилые дома по улице Танковая, некоторые дома находятся всего в 25 м от объекта. Т.о. в процессе принятия технических решений, выбора и размещения оборудования было важно не забывать про шумовые аспекты всех мероприятий, от выбора скорости воздуха на воздухозаборных решетках до расчета акустических экранов на пути распространения звуковых волн от градирен до верхних этажей жилых зданий.

Стандартно предлагаемые технические решения

Автостоянка предполагалась неотапливаемая, поэтому она исключается из потребителей тепла, зато остаются системы вентиляции с воздухообменом порядка 400 000 м?/час. Общий же воздухообмен составлял 540 000 м?/час, расчет производился на основании планировок ТРЦ, согласования с Заказчиком плотности посетителей ТРЦ, а вот технология ресторанов, боулинга и пр. помещений была взята по аналогам.

При выборе подрядчика для разработки основных решений по климатизации ТРЦ (стадия П) Заказчиком был проведен тендер среди некоторых проектно-монтажных организаций г. Новосибирска. Как правило, даже в наши дни для построения систем вентиляции предлагаются прямоточные приточные установки, без утилизации тепла, и отдельные вытяжные системы. Рассмотрим диаграмму теплоснабжения для данного ТРЦ на рис. 1 – именно так выглядит соотношение теплопотребления различными инженерными системами тепла в расчетный зимний период. Как видно на диаграмме, 76% от всего тепла забирает именно вентиляция. К слову, подавляющее большинство современных объектов в Новосибирске строятся по такому же принципу, и соотношение теплопотребления носит везде одинаковый характер.

Энергоэффективная вентиляция

На рассматриваемом ТРЦ вопрос с техническими условиями не был решен, поэтому Заказчик выбрал другую концепцию – системы вентиляции с утилизацией тепла вытяжного воздуха. Было выбрано оборудование преимущественно с роторными утилизаторами тепла, в результате чего средний температурный КПД утилизации по всем системам вентиляции стал порядка 74%. Всего было запроектировано более 70 систем вентиляции.

Для наглядности на рис.2 приведена диаграмма теплопотребления. Из общей тепловой потребности ТРЦ удалось сэкономить 56% (!) тепловых ресурсов, или в абсолютных единицах целых 5,6 МВт. Т.о. данный объект можно успешно включить в программу России о снижения на 40% энергоемкости объектов строительства. Вообще, теме энергосбережения посвящено множество статей, например 1), 2), 3).

Особенно важно для последующей эксплуатации объекта - это стоимость при оплате за потребленное тепло системами вентиляции, а также электроэнергии. Для данного ТРЦ была сделана такая оценка – расчет. Оплата за потребленное тепло составляет 1,8 млн. рублей/год против 14 млн. рублей/год в случае стандартного варианта (тариф 2007 г.). Реально, при правильном учете всех источников тепла, мы получим 20-кратное снижение теплопотребления калориферами, т.е. до 0,7 млн. рублей/год. Т.к. оборудование будет содержать частотные преобразователи и гибкую автоматику, можно дополнительно сэкономить значительную часть – 40-50% электрических и тепловых ресурсов, применив принцип «регулирование по потребности»4) (датчики качества воздуха, по количеству людей и пр.).

Холодоснабжение ТРЦ.

Практика эксплуатации некоторых ТРЦ в Сибири показывает, что внутри помещений всегда существуют значительные теплоизбытки даже зимой – много посетителей, освещение и пр. Есть примеры, когда в морозы при наружных температурах -30 ?С и даже ниже нужно не отопление, а охлаждение помещений, тем более если речь идет о внутренних областях ТРЦ – центральные бутики, холлы. Поэтому при выборе той или иной системы холодоснабжения важно не забывать, что зимой для торговых комплексов крайне важно наличие свободного охлаждения, и в этом плане VRF-системы не являются эффективным средством. Более того, свободное охлаждение можно использовать и в межсезонье при температурах на улице холоднее +10 ?С.

Для данного ТРЦ была выбрана концепция с применением холодильных машин. Тут важен вопрос электропотребления. При стандартном подходе, когда используется моноблочный чиллер с воздушным конденсатором, Кэ чиллера (энергетический коэффициент), как правило, не превышает 2,8-3, а с учетом насосов и доводчиков получится еще меньше. Поэтому были выбраны холодильные машины с водяными конденсаторами, а закрытые охладители на кровле взяты орошаемые.

Однако, для достижения более значимой энергоэффективности, этого явно не достаточно. Как вариант, очень интересны чиллеры с центробежными компрессорами, но эта техника требует более тщательно выбирать режимы работы для них, в том числе запуск/остановка и пр. Кроме того, для надежности таких чиллеров должно быть хотя бы 2. Для данного объекта было выбрано другое решение – запасать холод в аккумуляторах холода в нерабочее время, т.е. холодильные машины запасают холод ночью, а днем чиллеры в прямом режиме и аккумуляторы холода дают суммарное значение производительности по холоду.

Что это даёт:

  • Уменьшается холодопроизводительность чиллеров и их стоимость, нет нужды их подбирать на пиковые значения теплопоступлений
  • Снижается установочная электрическая мощность
  • Повышается устойчивость системы к пиковым тепловым нагрузкам, т.к. имеется большой аккумулятор и он способен выдавать холод намного превышающий расчетный в течение определенного времени (возможности ограничены запасенными кВт х часами и запасом спроектированной гидравлической системы)
  • Энергопотребление будет выгоднее в случае двух –тарифной оплаты электроэнергии (ночью дешевле)
  • Для энергосистемы России в целом такая идеология потребления электроэнергии является более стабильной и равномерной, исключаются пиковые значения в жару, когда в городах работает все возможные системы охлаждения.

Для правильно расчета аккумуляторов холода необходимо построить график почасовых теплопоступлений, в зависимости от наружных условий и распорядка работы тех или иных помещений ТРЦ. На рис.3 приведена такая диаграмма, холодопотребление при максимальной загрузке ограничены цифрой 4,5 МВт холода, это уже с учетом потерь тепла в системе, потерь на осушку, работы циркуляционных насосов. Вообще, как нетрудно догадаться, чем короче «рабочий день» объекта и больше пик теплопоступлений, тем рациональнее использовать аккумулятор холода. К примеру, для 8-часового рабочего дня в идеале было бы достаточно чиллера мощностью 1/3 от стандартных решений без аккумуляции холода. Для данного ТРЦ картина менее интересная, т.к. много помещений, работающих круглосуточно (рестораны, супермаркет, боулинг и пр.). Аккумуляторы холода представляют собой 2 емкости по 112 м?, их удобно выполнить в виде строительных конструкций –часть фундамента играет роль накопителей, и погруженные в раствор этиленгликоля сферические капсулы с жидкостью французской компании Cristopia5). Жидкость внутри капсул испытывает фазовые переходы, благодаря чему запасается энергия. Расчетный запас холода, запасенного за нерабочее время, может достигать 13,3 МВт х час.

Энергопотребление основного оборудования (чиллеры, градирни) составляет 866 кВт, насосы оцениваются в 240 кВт, доводчики порядка 60 кВт. Общее энергопотребление всей системы охлаждения составляет 1170 кВт, и общий энергетический коэффициент будет около 3,9.

На рис.5 показана диаграмма распределения электропотребления системой холодоснабжения. Мы видим, что существенные затраты энергии (21%) содержат циркуляционные насосы. Еще нужно обращать внимание на градирни, они также поддаются оптимизации – всегда можно выбрать их с запасом по поверхности, но с меньшей энергоёмкостью вентиляторов.

Следует отметить, что в большинстве случаев стоимость аккумуляторов холода адекватно уменьшению стоимости холодильных машин и Заказчик не увеличивает капитальные затраты на строительство холодильного центра, а если учесть снижение стоимости технических условий по электроэнергии, то перевес окажется в пользу аккумуляции холода.

Заключение

Применение качественного вентиляционного и холодильного оборудования, технические параметры которого вызывают доверие, позволяют получить «бонусы» в других областях, казалось бы, не имеющих отношения к делу. Например, при расчете шума от вентиляционного оборудования учитывались пооктавные значения шума от каждой единицы техники, причем в расчет брался и аэродинамический шум, и шум в окружающее пространство. Были даже учтены места расположения агрегатов в вент.камерах с учетом сложения шума от стен и конструкций помещений. Получились следующие результаты: для того, чтобы уровень шума в ночное время соответствовал допустимым нормам в ближайшей жилой застройке, не нужно дополнительно принимать какие-либо мероприятия по обустройству технических помещений звукопоглощающими материалами. Единственное, что превышало допустимый уровень шума – градирни, поскольку они оказались в прямой видимости с верхних этажей жилых зданий, в данном случае потребовался расчет 2-х акустических экранов для одной и другой линии жилой застройки. Общее количество технических помещений для вентиляции и холодоснабжения – 33 шт, в том числе 4 помещения на кровле ТРЦ.

Наряду с грамотными концепциями энергосбережения в целом, большую роль играет правильное распределение воздуха. Подавляющее количество объектов строится с вентиляцией по принципу «сверху-вверх». Это может означать, что должного воздухообмена в рабочей зоне может не оказаться, и еще одна причина тому высокие потолки. Эффективным средством обеспечения свежим воздухом является вытесняющая вентиляция, которая особенно актуальна для помещений с большой плотностью людей и запахами (рестораны, конференц-залы и пр.).

Можно сделать следующий вывод: для построения энергоэффективного объекта недостаточно мер по теплозащите строительных конструкций, применению грамотной регулируемой системы отопления, окон с теплоотражающим покрытием и т.д. Необходимо рассматривать объект в комплексе, в том числе обязательно с остальными энергоемкими системами, такими как вентиляция и кондиционирование. Иначе мы не получим желаемого снижения энергопотребления, да и сам паспорт энергоэффективности «годного» к строительству объекта с красивым расчетом теплопотерь через ограждающие конструкции и прямоточными приточными установками будет выглядеть по крайней мере смешно.

Ссылки

1) Энергосбережение №2/1999. Энергосбережение в зданиях. Новые МГСН 2.01-99 требуют проектирования энергоэффективных зданий

2) Энергосбережение №5/2007. Энергосбережение – решение проблемы изменения климата

3) AВОК №5/2008. Микроклимат и энергосбережение: пора понять приоритеты

4) AВОК №3/2005 «Вентиляция, качество внутреннего воздуха и эффективность потребления энергии»

5) Cristopia Energy Systems develops an unique technology of Thermal Energy Storage Systems. www.cristopia.com

С уважением,
А.С. Рубцов, ген. директор ООО «Вент-Дизайн».