Если помещение является гетерогенной системой, то загрязнение воздуха необходимо рассматривать уже на ионно-молекулярном уровне. Один из главных параметров, влияющих на объемные, а, следовательно, на поверхностные концентрации компонентов в помещении — расход наружного воздуха. Очевидна необходимость его увеличения.

Но это, в свою очередь, приведет к резкому повышению энергопотребления, что диктует необходимость внедрения энергоэффективных технологий при создании СВ. Специалисты, занятые в нашей сфере, более или менее отдают себе в этом отчет.

 Но как убедить Заказчика в пользу выбора энергоэффективного оборудования из более высокого ценового сегмента, чем сумма, на которую он рассчитывал изначально?

Обозначим расход наружного воздуха, обеспечиваемый СВ, — L (м3/ч). Количество тепла, которое необходимо подать на границу разделамежду наружным и приточным воздухом для нагрева поступающего воздуха за время работы СВ, можно определить как:

где ??— плотность воздуха, кг/м3;
L— расход наружного воздуха, м3/ч;
I1 — удельная энтальпия приточного воздуха, кДж/(кг . с.в.);
I2 — удельная энтальпия наружного воздуха, кДж/(кг . с.в.);
Q — количество тепла, необходимое для нагрева наружного воздуха за время работыСВ, кВт . ч;
Т — время работы СВ, ч.

Если СВ в течение отопительного периода работает круглосуточно (Т = Тотоп), то для расчета энергопотребления, необходимого на нагрев наружного воздуха, можно воспользоваться другим методом расчета — i–d-диаграммой и таблицей средней продолжительности температуры воздуха различных градаций в часах для конкретного населенного пункта [1]. Например, СВ с расходом воздуха L = 1000 м3/ч в условиях климата г. Сыктывкара на нагрев наружного воздуха до температуры 18 °С за отопительный период необходимо Q = 48 575 кВт . ч тепловой энергии (табл. 1).

То есть для фиксированной температуры приточного воздуха и промежутка времени работы СВ, равного отопительному периоду, количество тепла, необходимого для нагрева наружного воздуха в условиях климата Сыктывкара прямопропорционально расходу наружного воздуха, тогда выражение (2) можно представить в виде:

где Кq — коэффициент пропорциональности, [(кВт . ч/м3) . ч];
Q — среднее количество тепла, необходимого для нагрева наружного воздуха в течение отопительного периода для СВ с расходом наружного воздуха L, кВт . ч.

Определим коэффициент пропорциональности для различных температур приточного воздуха (табл. 2). Как следует из многолетних метеорологических наблюдений [2], основное потребление энергии — до 85,4 % — приходится на январь, февраль, март, октябрь, ноябрь и декабрь (табл. 3) с разницей между дневным и ночным периодом суток в 2 %, поэтому можно считать потребление тепловой энергии СВ в течение суток во время отопительного периода равномерным.

Поделим правую и левую часть выражения (2) на количество часов отопительного периода (Тотоп), тогда среднее почасовое потребление тепловой энергии Q’ = Q/Тотоп за отопительный период будет составлять:

где Тотоп — отопительный период, ч; Q’ — среднее почасовое количество тепла (кВт . ч), необходимого для нагрева наружного воздуха за отопительный период для СВ с расходом наружного воздуха L, м3/ч.

Следовательно, в условиях климата Сыктывкара на нагрев 1 м3/ч наружного воздуха до температуры 20 °С, в среднем в течение отопительного периода (в нашем примере это 5856 ч) потребуется тепловой энергии Q’ = 52,534/5856 = 8,97 . 10-3 кВт . ч.

Если обозначить Кq’ = Кq/Тотоп, то выражение (2) будет иметь вид:

Для того, чтобы учесть использование вторичных энергетических ресурсов, количество тепловой энергии, подаваемой на границу раздела между наружным и приточным воздухом, представим в виде:

где Qпр — количество тепла, получаемого при прямом нагреве наружного воздуха;
Qвт — количество тепла, получаемого за счет вторичных энергетических ресурсов.
Введем коэффициент использования вторичных энергетических ресурсов, равный:

где ??— коэффициент утилизации (например, для пластинчатого утилизатора
??= 50 %, роторного — ??= 80 %), %.

Тогда количество тепла Qвт, получаемого за счет тепловых вторичных энергетических ресурсов, в общем потреблении энергии, необходимой на нагрев наружного воздуха, будет составлять:

Учитывая, что заказчик оплачивает расход энергии только на прямой нагрев:

подставив в (8) выражения (4) и (7), получим:

Если отопительный период разбить на режим работы офиса — рабочее и нерабочее время, то

где Тр — время работы офиса в течение отопительного периода, Тн — нерабочее время.

Если в (10) применить выражение (9), получим, что

Пусть расход воздуха в рабочее время суток составляет L = Lр, а в нерабочее L = Lн тогда:

Если Lр = КL . Lн, то

где КL’ = 1/КL — коэффициент пропорциональности расхода наружного воздуха в рабочее и нерабочее время или:


Качество воздуха в помещении существенно зависит от воздухообмена в нерабочее время, т.н. Фоновой вентиляции [3, 4]. Будем подразумевать под фоновой вентиляцией воздухообмен, достаточный для предотвращения образования химических соединений на высокоразвитых поверхностях в помещениях, внутри СКВ и СВ и удаления вредных веществ из помещения. Сравним энергопотребление различными СВ в одинаковых условиях (КL’, Кq) за отопительный период. Для этого введем обозначение:

тогда

Пусть есть две СВ с потреблением тепловой энергии Q1пр и Q2пр. Разница в потребности тепла, необходимого для нагрева наружного воздуха за отопительный период, составит:


Если рассматривать системы вентиляции с переменным расходом воздуха, одна из которых прямоточная (?1’ = 0), а вторая — с утилизацией удаляемого воздуха, то экономия энергии за отопительный период составит:

Сравнивая между собой системы вентиляции с естественным побуждением (?1’ = 0, КL’ = 1) и утилизацией удаляемого воздуха, экономию энергии в течение отопительного периода можно вычислить по следующей формуле:

Пример

Предположим, что в г. Сыктывкаре есть некое помещение, непроницаемое для воздуха, где регулируемая система отопления поддерживает температуру равную 20 °С. Необходимо обеспечить расход наружного воздуха в объеме Lр, фоновую вентиляцию Lн = 0,25. Lр при условии восьмичасового рабочего дня и пятидневной рабочей недели.

Tемпература приточного воздуха -20 °С, т.е. Кq = 52,534 [(кВт . ч/м3) . Ч].

Отопительный период Тотоп = 5856 ч;
рабочее время Тр = 1301 ч; нерабочее время Тн = 4555 ч; коэффициент утилизации ??= 80 % или  ?’ = 0,8.
Кобщ = 21,887 [(кВт . ч/м3) . ч].
Экономия энергии за отопительный период для СВ с утилизацией удаляемого воздуха по отношению к прямоточной системе используя выражение (17) составит:

а СВ с утилизацией удаляемого воздуха по отношению к СВ с естественным побуждением:

Если расчетное потребление тепловой энергии, необходимой на прямой нагрев наружного воздуха СВ с естественным побуждением (КL’ = 1, ?’ = 0), принять за 100 %, то расчетный расход тепловой энергии различными системами вентиляции относительно ее (14) составит:

• для механической прямоточной с переменным расходом воздуха — 41,67 %;
• для механической с 50 %-ой утилизацией удаляемого воздуха и переменным расходом воздуха — 20,83 %;
• для механической с 80 %-ой утилизацией удаляемого воздуха с переменным расходом воздуха — 8,33%.

• системой с естественным побуждением — 31 520,40;
• механической прямоточной с переменным расходом воздуха — 13 132,20;
• механической с 50 %-ой утилизацией удаляемого воздуха с переменным расходом воздуха — 6566,10;
• механической с 80 %-ой утилизацией удаляемого воздуха с переменным расходом воздуха — 2626,44.

• при 60 м3/ч на человека — 28 893,96;
• при 90 м3/ч на человека — 43 340,94;
• при 120 м3/ч на человека — 57 787,92.

Из (13) или (14) следует, что снижение энергопотребления СВ без уменьшения расхода наружного воздуха (при обеспечении надлежащего качества воздуха в помещении) возможно за счет утилизации тепловой энергии.

Полную стоимость климатической системы можно выразить как:

где i = 0, …, Т;
Скап — стоимость величины единовременных затрат;
Тэкспл — расчетный срок эксплуатации климатической системы, лет;
Zi — ежегодный тариф за кВт . ч тепловой энергии за время эксплуатации установки;
?Сi — стоимость остальных эксплуатационных затрат.

Представим себе две системы с полной стоимостью С1пол и С2пол, с условием, что через 10 лет эксплуатации С1пол будет равна С2пол, т.е.:


Допустим, что в обоих случаях выбирается вентиляционное оборудование одного класса или, например, одного производителя. Тогда можно считать что



Учитывая (19) и прогнозируя повышение тарифов на тепловую энергию один раз в год и только на 10 % (это очень оптимистичное предположение, на самом деле реальное повышение тарифов может быть существенно больше), средняя цена за 10 лет эксплуатации составит Zср = 0,64 руб/кВт . ч тепловой энергии (табл. 4).

Вычислим единовременные затраты на СВ с переменным расходом воздуха, сравнение проведем между системой с 80 %-ой утилизацией удаляемого воздуха и прямоточной системой за 10 лет эксплуатации (Тэкспл = 10 лет).


т.е. разница затрат только на нагрев 1 м3/ч наружного воздуха за 10 лет эксплуатации составит не менее 112 руб.!
Преобразуем уравнение (24):

Обозначим Кс = С1кап/С2кап, тогда:


Пусть величина Кс принимает значение 0 ≤ Кс ≤ 1; при Кс = 0, С1кап = 0.


Эту же точку можно считать точкой отсчета в сравнении между вентиляцией с утилизацией удаляемого воздуха относительно системы с естественным побуждением (20).


При Кс = 1 или С2кап = С1кап СВ с утилизацией удаляемого воздуха с момента ввода ее в эксплуатацию (Т = 0) приносит доход относительно прямоточной системы.

При 0 < Кс < 1 если известны С1кап и С2кап (например, из коммерческих предложений), то из уравнения (28) можно определить срок окупаемости СВ с утилизацией удаляемого воздуха относительно прямоточной системы:


Рассмотрим следующий пример:
Пусть система воздухораспределения для прямоточной СВ и системы с утилизацией удаляемого воздуха в одних и тех же помещениях одинаковая. Проектировщик предоставил заказчику результат расчета воздухообмена —
Lр = 10 000 м3/ч при
А1 = (Lр - Lmin)/Lmin = 0,
где Lmin — нормативный расход наружного воздуха. Заказчик подтвердил, что данный воздухообмен его устраивает и определил режим работы СВ — КL’ = 0,25. Проектировщик предоставил заказчику технические характеристики необходимого оборудования.

Изучив рынок, заказчик установил, что стоимость вентиляционного оборудования с техническими характеристиками, обозначенными проектировщиком, для прямоточной СВ, которая относится к классу энергоэффективного оборудования, по сравнению с системой утилизации удаляемого воздуха, в два раза ниже.

Условно С1кап = 561 000 руб., а С2кап = 1 122 000 руб.

Совместно с заказчиком определяем, что расчетный срок эксплуатации системы составит, например, 10 лет (Тэкспл = 10 лет). При равных затратах (24) стоимость единовременных затрат на приобретение системы с утилизацией удаляемого воздуха должна составить:


Данную величину можно считать обоснованием для выделения финансовых средств под оборудование для внедрения энергоэффективных систем вентиляции, так как величина:

носит для заказчика характер неизбежных затрат. Но энергоэффективная установка с коэффициентом рекуперации
??= 80 %, производительностью 10 000 м3/ч, с программно настраиваемым расходом воздуха в течение суток с шагом в 200 м3/ч, независимо как приточного вентилятора, так и вытяжного, реально стоит не более 1 122 000 руб.

Тогда срок окупаемости (рис. 1) системы вентиляции с утилизацией удаляемого воздуха относительно прямоточной системы (30) составит:


Используя выражения (15) и (21) можно рассчитать, что за 10 лет эксплуатации полная стоимость прямоточной СВ по отношению к СВ с 80 %-ой утилизацией удаляемого воздуха

составит:
— разница больше полумиллиона рублей!

При этом обратите внимание заказчика, что мы в расчеты закладывали минимально возможное повышение тарифов на энергоносители, а если за время эксплуатации системы они будут расти более чем на 10 % в год, то можно считать сумму ?Скап = 561 000 руб. гарантированно выгодным вложением — за 10 лет процент прироста составит более чем 8% годовых. Конечно, у нас нет права принимать окончательное решение, но согласитесь, что яркие доводы и аргументированные факты и расчеты, приведенные нами, способны убедить заказчика отдать предпочтение более эффективной системе вентиляции.

Литература
1. Справочное пособие к СНиП. Строительная климатология.Научно-исследовательский институт строительной физики Госстроя СССР.
2. Под ред. д.г.н. Швер Ц.А. Климат Сыктывкара. — Л.: Гидрометиоиздат, 1986.
3. ТР АВОК 4-2004. Технические рекомендации по организации воздухообмена в квартирах многоэтажного жилого дома. — М.: АВОК-Пресс, 2004.
4. Ливчак И.Ф., Наумов А.Л. Вентиляция многоэтажных жилых зданий (текст). — И.Ф. Ливчак, А.Л.Наумов. — М.: АВОК- Пресс, 2005.
5. Губернский Ю.Д. Экологические аспекты кондиционирования воздуха // М-лы Международного форума по проблемам проектирования и монтажа систем отопления, вентиляции, кондиционирования воздуха и охлаждения. HEAT&VENT’2003 Moscow, Москва 2003. — ITE Group PLC.

Л.Л. ГОШКА,
коммерческий директор
ООО «Кола».

 Источник «Журнал С.О.К.: Сантехника, Отопление, Кондиционирование»,