Интеллектуальная энергосберегающая система микроклимата индивидуального жилого дома

В статье изложена концепция проектирования и создания ителлектоуправляемой системы вентиляции и кондиционирования жилого дома. Центром управления является электронный процессор, который дает команды на работу воздушных заслонок, установленных в системе центральной приточной вентиляции,  поделенной на  восемь зон, в соответствии с назначениями помещений  жилого дома. Охлаждение воздуха  осуществляется этой же системой от артезианской скважины через центральный воздухоохладитель.

В настоящее время наблюдается резкий подъем индивидуального строительства. Индивидуальное строительство занимает все более заметную долю в общем объеме строительной индустрии. Особенностью этого сектора строительства является то, что желание застройщиков и  уровень их благосостояния позволяет проектировать более комфортные системы обеспечения микроклимата, чем те, которые регламентируют СНиПы и санитарные нормы.  С другой стороны, индивидуальные застройщики, зачастую вынуждены устраивать децентрализованные инженерные системы (местные котельные, скважинный водозабор) и поэтому они крайне заинтересованы в создании эффективных энергоэкономичных  комфортных зданий и систем обеспечения микроклимата.

Пользуясь такой ситуацией, можно на примере индивидуальных жилых домов разработать новые концепции в решении задач микроклимата жилых зданий и применить их в дальнейшем при строительстве более крупных объектов. Такая попытка осуществлена по желанию заказчика при строительстве индивидуального жилого дома в пригородном секторе г. Магнитогорска.

КОНЦЕПЦИЯ РАЗРАБОТКИ СИСТЕМЫ МИКРОКЛИМАТА

Основная концепция проектирования систем микроклимата данного дома: энергосбережение и интеллектуальная  управляемость инженерных систем.

Энергосбережение осуществлялось по следующим направлениям: высокая тепловая защита здания (применение эффективных строительных материалов и конструкций), установка эффективных отопительных приборов с высоким коэффициентом теплопередачи, разбивка системы кондиционирования воздуха на зоны и полное автоматическое управление зонами, применение схемы с рециркуляций воздуха, использование естественного холода от воды артезианской скважины для холодоснабжения системы кондиционирования.

Перед авторами была поставлена задача: спроектировать системы кондиционирования и вентиляции коттеджа и вспомогательных помещений таким образом, чтобы система всегда потребляла  рациональный минимум  тепловой, холодильной и электрической мощности. При этом управление работой системы должно производится автоматически по требованиям, исходящим из внутренних помещений дома. .

Схема вентиляции дома выбрана следующая: приток – механический, во все жилые помещения с центральным кондиционированием воздуха с частичной рециркуляцией; вытяжка – естественная через помещения санузлов, ванн и кухонь; забор рециркуляционного воздуха – из помещений холла.

Основным принципом проектирования системы приточной вентиляции выбран принцип зонирования. Все помещения дома распределены на 8 зон в зависимости от назначения помещений и времени пребывания в них людей. Подача воздуха в каждую зону может быть затребована или прекращена  по команде с пульта, установленного в одном из помещений зоны. Система приточной вентиляции, соответственно, также поделена на автономные  зоны, которые можно отсекать от общего воздуховода с помощью управляемых заслонок.

ОПИСАНИЕ РАБОТЫ СИСТЕМЫ

Для управления  системой установлен  электронный процессор с расширением на 19 зон, который обрабатывает всю информацию, исходящую из зональных датчиков и вырабатывает команды для открытия или закрытия заслонок и выбора скорости вращения двигателя приточного вентилятора. Зональный пульт управления содержит комнатный термостат и кнопки для установки требуемой температуры или режима чистого проветривания. Зональные пульты управления входят в комплект с процессором , также как и зональные воздушные заслонки с электрическими приводами.

Система работает следующим образом. В приточной камере находится блок оборудования, который состоит из  вентилятора с частотно регулируемым приводом (как минимум 3 скорости вращения двигателя), воздухоохладителя с регулированием мощности охлаждения (как минимум 3 стадии охлаждения) и воздухонагревателем (как минимум 3 стадии нагрева). К блоку примыкает смесительная камера, в которой смешиваются потоки наружного и рециркуляционного  воздуха в соотношении 1:2. Канальные датчики температуры замеряют температуру наружного, приточного и рециркуляционного воздуха. Управление вентилятором и теплообменниками производится с электронного процессора. По сигналам зональных термостатов процессор определяет необходимый режим обработки воздуха в блоке воздухообработки для каждой зоны - нагрев, охлаждение или вентиляция. Определяется преобладающий режим, заданный большинством зон, и, в первую очередь, готовится и подается воздух к этим зонам. По сигналу процессора электроприводы открывают воздушные заслонки этих зон и воздух подается в помещения. Заслонки остаются открытыми до тех пор, пока показания термостата на сравняются с заданной температурой. Далее заслонки закрываются и начинается приготовление воздуха и подача к другим зонам, где требуется другой режим обработки воздуха. Периодичность открытия заслонок различных зон во время переменных режимов работы составляет 10 мин. Во время отсутствия людей в помещении зональный пульт устанавливается в нейтральный режим и заслонка закрывается. Переход зоны  в нейтральный режим и его снятие происходит автоматически с помощью датчика присутствия. В зависимости от количества открытых зон процессор  выбирает скорость вращения вентилятора и степени мощности нагрева или охлаждения воздуха в теплообменниках.  Это позволяет расходовать все виды энергии строго в соответствии с потребностями людей, при этом, не жертвуя комфортными условиями.

НЕКОТОРЫЕ ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

С точки зрения проектирования системы вентиляции наибольшую сложность вызвал вопрос об определении расчетного воздухообмена в системе и подбор сечений воздуховодов при условии периодического пользования различными зонами. Обсуждалось три варианта:

Рассчитывать воздуховоды и мощности оборудования по суммарной нагрузке всех зон из условия одновременной их работы.

Применить теорию вероятности по аналогии с расчетом нагрузок в системах водоснабжения.

Задаться наиболее вероятной комбинацией одновременного включения нескольких зон и рассчитать суммарную нагрузку для них.

По согласованию с заказчиком был выбран третий вариант (одновременно включаются 5 зон из 8). Таким образом, расчетная нагрузка составила 70 % от суммарной нагрузки всех зон. С аэродинамической точки зрения система воздуховодов была скомпонована так, что каждая зона имеет свое ответвление от магистрального воздуховода, который выполнен в виде вертикальной шахты большого сечения так, чтобы потери давления в нем были незначительны. Это позволило увязать все ответвления и создать равные условия для каждой зоны. Для случая, когда все или большинство зон закрыты, предусмотрен байпас между приточным и рециркуляционным воздуховодами с клапаном давления.

Приточная установка собрана из малогабаритных элементов на базе канального вентилятора, позволяющих смонтировать ее в подвесном виде на потолке технического помещения подвала. Теплоносителем для охлаждения и нагрева воздуха в теплообменниках является вода. Горячим теплоносителем является вода из автономной котельной с параметрами 90-70 ⁰С. В качестве теплообменника была выбрана секция водяного подогрева.

ХОЛОДОСНАБЖЕНИЕ СИСТЕМЫ

Так как дом находится в отдаленном от городской застройки районе, то забор холодной воды на нужды водоснабжения застройщик решил осуществлять из артезианской скважины и получил на то разрешение. Вода имеет температуру в летний период 5-7 ⁰С. Как раз такая температура необходима для водяных воздухоохладителей, которые применяются в системах кондиционирования воздуха. Для получения воды с такой температурой обычно используются фреоновые холодильные машины. Именно это оборудование является наиболее дорогим и сложным в эксплуатации в системах кондиционирования. Кроме того, компрессор холодильной машины потребляет много электроэнергии, а  использование фреона может нанести вред окружающей среде. Поэтому была предложена и разработана система кондиционирования воздуха, использующая воду, добываемую из местной скважины (рис. 1). Регулирование мощности охлаждения воздуха осуществляется с помощью регулирования подачи холодной воды насосом с частотным приводом.

В качестве воздухоохладителя был подобран горизонтальный канальный аппарат с водяным теплообменником. Его основные характеристики:

Холодопроизводительность – 23,1 кВт

Количество обрабатываемого воздуха – 3800 м³/ч

Объем воды в теплообменнике - 6,35 л

Массовая скорость воды – 0,8 кг/с

Затраты электроэнергии на перекачку воды насосом – 1,5 кВт

Исходя из этих данных, коэффициент преобразования энергии предложенной установки с естественным охлаждением:

В стандартной системе кондиционирования затраты электроэнергии на работу холодильной машины (чиллера) для получения указанного количества холода – 8,3 кВт. В этом случае холодильный коэффициент равен:

Таким образом, установка экономит около 80 % электроэнергии. Кроме того, вода на выходе из водяного теплообменника имеет температуру 11 ⁰С и может использоваться для дальнейшего нагрева в системе горячего водоснабжения или полива приусадебного участка.

Источник: www.energosovet.ru/stat356.html

Старкова Л. Г., доцент, канд. техн. Наук, Магнитогорский государственный технический университет им. Г. И. Носова, Россия

Калякин Ю. Д., канд. техн. наук, генеральный директор ООО « Компас Плюс», Россия

Материалы Международной научно-технической конференции «Теоретические основы теплогазоснабжения и вентиляции», 23 – 25 ноября 2005, МГСУ