Климатични системи във високи сгради

Климатизацията на високи сгради в повечето случаи е доста трудна задача по редица причини. Колкото по-високо е строителството, толкова по-големи стават температурните разлики и все по-силни поривите на вятъра. Това е сериозен проблем, когато сградата е над 60 етажа. Като се има още предвид, че 30% от енергопотреблението на една сграда отива за системите за климатизация, то само поради очевидната им големина е ясно - високите сгради ползват много енергия.

Друг фактор, който трябва да се отчете, е общата продаваема площ на всички етажи, която е от ключово значение за привличането на повече инвеститори в изграждането. Тяхната цел е да се губи колкото се може по-малко площ за сервизни помещения и инфраструктура. Купувачите, от своя страна, се стремят към възможно най-добрата среда за обитаване и не биха приели компромиси в това отношение.

Ефект на естествената тяга
Когато температурата отвън на високата сграда е значително по-ниска от температурата в помещенията вътре, се наблюдава т. нар. ефект на естествената тяга (stack effect). Това е явление, при което при студено време високата сграда действа като комин с естествена конвекция на въздуха - той влиза през долните етажи на сградата, изкачва се през нея и излиза през горните етажи.

Причината за ефекта на естествената тяга е разликата в плътността между студения, по-плътен въздух извън сградата и топлия, по-малко плътен въздух вътре. Разликата в налягането, която се появява при ефекта на естествената тяга, е правопропорционална на височината на сградата, а така също и на разликата между по-високата температура отвътре и по-ниската температура отвън на сградата.

Когато външната температура е по-висока от тази вътре в сградата, естествената тяга действа в обратна посока. Това означава, че в райони с много топъл климат въздухът влиза през горните етажи, спуска се през нея и излиза през долните. Това движение надолу на въздуха е известно като обратна естествена тяга.

За щастие има мерки, които могат и трябва да бъдат взети още на етапа на проектирането на системата за отопление, вентилация и климатизация на сградата, за да се минимизират потенциалните проблеми, произтичащи от ефекта на естествената тяга. Системата трябва да е разработена така, че да осигурява подаването на повече външен въздух, отколкото се изпуска.

Това важи за всички системи, в които за поддържането на налягане вътре в сградата трябва да се следи общия баланс на въздуха и при всякакви условия да е гарантирано, че входящият въздух е поне с 5% повече от сумата от изтеклия и изпуснатия въздух. Също така, при проектирането е добре - а това често е и в съответствие с нормативната уредба за защита от дим - системата за входното пространство да бъде отделна.

Макар и това да не се изисква винаги, при наличието на такава отделна система, тя може да се проектира така, че в най-студените зимни периоди да работи със 100% външен въздух. При подобни условия този въздух ще се използва да изпълни плътно входното пространство на сградата, което е изключително уязвимо с оглед на общите усилия за ограничаването до минимум на вредното влияние, което оказва ефектът на естествената тяга.

Нови технологии
Системите, използвани във високи офис сгради, са се развили значително през последните десетилетия в отговор на променените изисквания на инвеститорите в подобни проекти, на нарастващите потребности на потенциалните обитатели - фирми-собственици на помещения или наематели, и в зависимост от проблемите пред собственика на цялата сграда, свързани с достъпността и цената на енергията и съответните разходи, необходими за поддръжката й.

Напоследък тук трябва да се добавят и проблемите по осигуряване на благоприятна среда за обитаване, в това число качеството на въздуха вътре и нарастващите изисквания по отношение на безопасността на сградата и други. Тези фактори влияят допълнително върху подхода за избор на система за отопление, вентилация и климатизация за една модерна, висока офис сграда.

Автономните системи с хладилен агент, каквито са климатиците, монтирани на външните стени с пробиване, се използват в съчетание с изцяло въздушни (работното тяло в тях е само въздух) системи за вентилация, които взимат въздух от климатизираните помещения и го подават към вътрешните, а въздуха от тях пък подават в обратна посока.

Това комбинирано решение обаче е с ограничено приложение - използва се при реновирането на стари сгради, които не са били климатизирани при построяването им, както и при ниски сгради с по няколко етажа. То не се ползва често в първокласните високи офис сгради поради няколко свойствени за него недостатъка.

Сред тях са: вероятното по-високо потребление на енергия; необходимостта от профилактична смяна на филтрите на всеки климатик и от периодично почистване на серпентините на охладителя и на кондензатора на турбината, за да се поддържа нормалната му работоспособност; относително краткият срок на служба на климатиците; неспособността на това комбинирано решение да се справи с ефекта на естествената тяга и притока на външен въздух през климатиците; генерирането на високи нива на шум, които не са допустими за едно първокласно офис помещение; невъзможността да се отговори на изискванията за благоприятна среда на обитаване поради неадекватното филтриране, недостатъчното регулиране на вентилацията на въздуха и неприемливите колебания на температурата в резултат на работата на компресора в режим на включване-изключване.

За изграждането на системи, които решават тези сериозни проблеми, предлаганото на пазара оборудване, както и монтажа му в единно цяло, в последните години също преминаха през период на промени по отношение на някои проектни детайли.

Днес има две основни решения, които стават все по-предпочитани при климатизацията на високи сгради. Това са първо климатичните системи с променлив поток на хладилния агент (VRF), състоящи се на практика от централни кондензатори с въздушно охлаждане, разположени отвън на сградата, които обслужват множество климатици вътре.

Има също и хибридни системи - другото решение - състоящи се от охладител със затворен цикъл, свързан към кондензатори с променлив поток на хладилния агент и с водно охлаждане, които пак обслужват множество климатици вътре.

VRF системите са с по-висока енергийна ефективност от тези с топлинна помпа с водно охлаждане и дават възможност за регенерация на топлина между разположените вътре климатици. Такава система позволява мрежата от тръбопроводи за хладилния агент да бъде с голяма дължина, но може да обслужва най-много около 15 етажа, което означава, че на всеки 30 етажа трябва да се предвиди един междинен сервизен етаж.

Тъй като кондензаторите са с въздушно охлаждане, те трябва да бъдат разположени на междинните етажи по външния периметър на сградата, за да се извежда най-лесно горещия въздух навън. А това на свой ред води до потенциална загуба на цял етаж от сградата за сервизни цели.

При хибридната система се премахва необходимостта от междинни сервизни етажи, тъй като водата за водното охлаждане на кондензаторите може лесно да циркулира по протежение на повече от 60 етажа.

Тези кондензатори с водно охлаждане са малки и могат да бъдат разположени на всеки етаж, или ако се изисква през етаж, в обикновен сервизен шкаф, при което се пести място и площта на етажа остава на разположение. Оттам, по тръбопроводи, те подават хладилния агент към отделните климатици на етажа. Такава хибридна система може да осигури двойна рекуперация на топлина, както от водния контур, така и от тръбопроводите за хладилния агент, което я прави много енергийно ефективна.

Подаване и отвеждане на въздуха в системите за климатизация
Във високите офис сгради използваните климатични системи се делят на две основни категории в зависимост от организацията на мрежата от въздуховоди. При първата категория имаме централизирана климатична система, която се намира в машинно отделение в сградата и обслужва много етажи, разположени над и/или под самото отделение.

При втората категория всеки етаж си има локална система за климатизация, която обикновено обслужва само етажа, където е разположена. Локалните етажни системи за климатизация могат да са изградени по две алтернативни конфигурации - при първата се използват агрегати за обработка на въздуха, в които има серпентини с охладена вода, а при втората, автономни такива с непосредствено охлаждане на въздуха.

Избор и проектиране на климатичната система
Важно решение, което трябва да бъде взето от целия проектантски колектив по изграждане на високата офис сграда, е дали климатичната система ще бъде централизирана в машинно отделение, обслужващо много етажи, или пък ще се състои от отделни системи, монтирани в локални вентилационни камери на всеки етаж и обработващи само въздуха на този етаж.

Централно вентилационно отделение - при тази конфигурация, подаваният към всеки етаж обработен въздух идва от комплексни климатични системи, разположени в една или няколко централни вентилационни отделения, наричани често машинни отделения.

Климатичните системи могат да бъдат готови, фабрично произведени климатични камери, но обикновено поради многото обслужвани етажи и съответно големите обеми въздух те се изграждат на място.

Всяка климатична система, доколкото функционирането й е функция на годишните колебания на температурата и влажността и на нормативните изисквания в строителството, може да има икономичен режим на работа, при който се ползва външен въздух посредством минимално пропускащи и регулируеми клапи. В дадена вентилационна камера може да има няколко свързани помежду си агрегата, които подават обработения въздух към общ разпределителен колектор.

Оттам нататък въздухът от централната вентилационна камера се подава към всеки етаж по вертикални въздуховоди, разположени в шахти с устойчивост на горене до два часа, прокарани през средата на сградата. На всеки етаж във всеки от вертикалните въздуховоди има хоризонтално отклонение.

В него, на границата, където въздухът излиза от огнеупорната шахта, има противопожарна клапа (или противопожарна/противодимна, ако се изисква такава от нормативните документи). Често има също и двупозиционна клапа с автоматично дистанционно управление.

Отработеният въздух се изтегля от пространството над окачените тавани през друго хоризонтално отклонение и към вертикални въздуховоди, след което се подава обратно към централните вентилационни камери.

В това отклонение също има двупозиционна клапа с автоматично дистанционно управление. Тя, също както и клапата във въздуховода, подаващ климатизиран въздух, се използва в случаите, когато въздухът трябва да циркулира по-често и да се намалява задимеността. Положението и на двете клапи се определя от системата за автоматизация и управление на сградата.

Отработеният въздух не се извежда по съответните въздуховоди навън, а се връща обратно в централната вентилационна камера. Във всяка централна вентилационна камера има множество вентилатори, които теглят изведения въздух по обратните въздуховоди и го довеждат до съответния колектор в камерата.

Вентилационни камери на всеки етаж с блокове за охладена вода - подаването на въздух за всеки етаж по тази конфигурация се осъществява от локална вентилационна камера на същия етаж, която най-често се намира по средата му и в нея са монтирани готови, фабрично произведени агрегати за обработка на въздуха с блок за охладена вода, съответната серпентина, филтри и вентилатор.

Нуждата от затопляне сутрин, в началото на работния ден, при студен климат, може да се осигури чрез нагревателна серпентина в агрегата или чрез нагревателен модул, монтиран в локалната вентилационна камера. Обикновено агрегатът на един етаж поддържа климатизацията само на този етаж. Затова най-често принципът при монтиране е по един агрегат на етаж, с изключение на случаите, когато площта на етажа е твърде голяма - примерно над 2400 кв. м - и може да е необходимо да се сложат допълнителни агрегати.

Охладената вода за серпентината се подава от специален централизиран сервизен отсек в сградата, където се извършва охлаждането й в количества и при параметри, съответстващи на проектното задание. Вентилаторът подава въздух в локалната климатична система, служи също и за изтеглянето му от помещенията на етажа обратно към агрегата.

След като достигне по описания начин до вентилационната камера, отработеният въздух обикновено не се подава към други въздуховоди вътре в камерата. Съответно вентилационната камера в повечето случаи играе ролята на временно междинно пространство за отработения въздух и затова проводниците и кабелите в нея трябва да са съобразени с условията в тази среда или да са положени в канали.

Независимо от географското местоположение и годишните колебания на температурата и влажността навън, система от този вид работи като пропуска минимум външен въздух през цялото време, през което сградата се ползва. Външният въздух постъпва в системата през климатични камери, разположени на покрива или в централното машинно отделение и посредством вертикален въздуховод се подава към локалните агрегати на всеки етаж.

В тези камери, подаващи външния въздух в зависимост от климатичните условия, обикновено има охлаждаща серпентина, а може да има и нагревателна - целта е при вкарването му в сградата, въздухът да се темперира подходящо.

Вентилационни камери на всеки етаж с агрегати за директно изпарение - при втората разновидност на решението, при което на всеки етаж климатизацията е автономна, самата система е със същите характеристики, както е описано по-горе за системите с централно подаване на охладена вода към етажните агрегати.

Различното тук са точно етажните агрегати, които са автономни с директно изпарение (DX) и разполагат с един или повече хладилни компресори и кондензатори с водно охлаждане. Отвеждането на топлината от компресора се осъществява от водната система за охлаждане на кондензатора и от охлаждаща кула.

Ако в климатични зони с по-ниска температура и влажност се изисква инсталация и на икономайзер, това може да се избегне с допълнителна серпентина за естествено охлаждане, която се монтира в агрегата и работи само когато използваната вода на кондензатора е под определена температура от около 9°C.

Единствените централизирани елементи от оборудването при този вид системи са охлаждащата кула, помпите за водоохлаждане на кондензаторите и модулът за подаване на външния въздух. Последният функционално е същият като този при системите с централно подаване на охладена вода на всеки етаж, с тази разлика, че е с директно изпарение и при това положение няма нужда от специален сервизен отсек в сградата за охлаждане на вода.