Системы кондиционирования высотных зданий

Города растут, растут не только в ширину, но и в высоту. Зданиями 25 этажей уже никого не удивить, обычное жилое здание в Китае сегодня строится на 30 этажей. Административные здания в Китае, как правило, насчитывают 40 этажей и больше. Инженерная задача обеспечения таких зданий теплом, холодом, свежим воздухом сложна, но тем и интересна. Мы постараемся рассмотреть варианты систем кондиционирования воздуха на примере двух необычных объектов: здание башни Бурдж-Халифа (Дубай, ОАЭ) и здание отеля Ritz-Carlton (Джакарта, Индонезия). Оба здания находятся в жарком климате, и роль системы охлаждения здесь очень высока. Но системы кондиционирования у них отличаются принципиально, поэтому нам интересно провести сравнение и понять преимущества и недостатки каждого варианта.

Здание башни Бурдж-Халифа (Дубай)

Здание Бурдж-Халифа

В здании Бурдж-Халифа применена система кондиционирования воздуха с водой в качестве холодоносителя. Холодильный центр с чиллерами типа «вода-вода» располагается отдельно от здания. Чиллеры охлаждают воду до температуры +5°C и подают её насосными станциями к зданию. Пониженная температура воды необходима для компенсации потерь в многочисленных теплообменниках, про которые мы расскажем чуть позже. Нагретая вода на выходе из охлаждающего контура чиллера через теплообменники нагревает морскую воду, которая, в свою очередь, сбрасывается в располагающийся поблизости Персидский залив.

Интерьеры внутреннего жилого пространства башни Бурдж-Халифа

Здание имеет высоту 828 м, последний обслуживаемый этаж находится на высоте 586 м, поэтому гидростатическое давление водяного столба внизу здания могло бы достигать 60 атм. Это, конечно, очень много с точки зрения прочности трубопроводов и приборов — потребителей холода. Максимальное рабочее давление в системах водяного холодоснабжения составляет 10 атм (предельное давление при испытаниях равно 16 атм). Поэтому даже в случае использования высокопрочного оборудования давление водяного столба превышало бы максимально возможное в четыре (!) раза. Чтобы снизить давление, инженерам-разработчикам пришлось разделить водяной контур на семь частей.

Шесть технических зон разделяют здание на примерно равные по высоте части. Высота каждой части до 100 м, они объединяют 20–30 этажей. Следовательно, гидростатическое давление воды в нижней точке каждой части здания может достигать максимум 10 атм, что вполне приемлемо для современных фанкойлов и охладителей приточных установок — приёмников холода.

На технических этажах здания находятся теплообменники вида «вода-вода» системы холодоснабжения, которые разделяют холодильный контур на несколько частей — независимых по гидравлике холодильных контуров. Это необходимо как раз для снижения давления воды в нижней точке здания. Кроме теплообменников, каждый холодильный контур для повышения надёжности системы включает насосы с резервированием. Расширительные баки компенсируют тепловое расширение и сжатие воды. Датчики расхода хладоносителя, датчики протечки, датчики давления контролируются единой системой управления зданием.

Особенностью системы кондиционирования является разработка специального аромата, созданного Armany, который подаётся на мембраны в системах приточной вентиляции и является эксклюзивным ароматом (!) только этого здания.

Следует отметить, что конденсат, образующийся от охлаждения вентиляционного воздуха, не сливается просто так в канализацию. Он используется для полива растений и функционирования фонтана (тоже самого большого в мире) рядом со зданием. Всего система охлаждения выделяет около 40 млн литров конденсата в год, терять которые в регионе с ограниченным количеством пресной воды крайне неразумно.

Здание элитного отеля Ritz-Carlton в Джакарте, Индонезия

Здание отеля Ritz-Carlton

Для охлаждения здания отеля Ritz-Carlton применяются системы кондиционирования воздуха типа VRF (Variable Refrigerant Flow, переменный поток хладагента). Концепция охвата здания — модульная. Один этаж обслуживается одним независимым холодильным контуром с тремя наружными блоками. Наружные блоки располагаются на каждом этаже здания отеля на специальных балконах.

Интерьеры отеля Ritz-Carlton в Джакарте — главный холл, номера и ванная комната

Воздух, необходимый для охлаждения наружных блоков, забирается с одной стороны балкона, а выбрасывается с другой для предотвращения смешивания холодного и тёплого потоков. Расчётная температура воздуха в Джакарте составляет +38°C при влажности 80%. Это значит, что энтальпия наружного воздуха просто огромная, и обязательно необходимо постоянное охлаждение и осушение приточного воздуха. Для этого используются канальные прямоточные внутренние блоки, охлаждающие наружный воздух с +38°C до расчётной температуры внутри здания +27°C.

Удаление внутренних теплоизбытков и поддержание индивидуальной температуры в помещениях выполняется внутренними блоками VRF-системы.

Центральный вход в здание Бурдж-Халифа (слева) и главный вестибюль отеля Ritz-Carlton в Джакарте

Сравнение систем

1. Энергоэффективность

Любой инженер, пройдя курс оптимизации технических решений, прекрасно понимает правило: чем ближе источник и приёмник холода, тем лучше с точки зрения энергоэффективности. Определим стандартную величину для любой холодильной системы — коэффициент Energy Efficiency Ratio (EER) или отношение максимальной производительности по холоду к максимальному энергопотреблению всей системы.

Для здания Бурдж-Халифа холодопроизводительность равна 45 МВт, а энергопотребление при этом составляет 28 МВт. Следовательно, коэффициент EER равен 1,61, что очень мало.

Почему так получилось? Перечислим основные факторы, определившие такой результат:

1. Потери энергии на привод насосов. Расстояние от источника холода (чиллер) до приёмника холода (фанкойлы) получилось просто огромным — больше одного километра. Если точнее, источником холода является даже не чиллер, а вода Персидского залива, так как именно туда идёт сброс тепла от здания, и на перемещение тёплой воды также тратится энергия. Чтобы прокачать такое огромное количество воды на большое расстояние, насосам требуется много энергии.

2. Потери на теплопередачу. Диаметры трубопроводов для подачи охлаждённой воды — около одного метра. А температура окружающего воздуха достигает 50°C. В таких условиях даже эффективная теплоизоляция не является полной защитой от теплопотерь.

3. Многоступенчатая схема циркуляции холодоносителя. Для уменьшения гидростатического давления в здании применяется разделение систем охлаждения по высоте на отдельные контуры. В каждом контуре присутствуют насосы, потребляющие энергию. Если в стандартной системе «чиллер — фанкойлы» присутствует один или два циркуляционных контура (на охлаждаемой и охлаждающей воде), то в этом случае их получилось восемь (один на охлаждающей воде и семь на охлаждаемой). Значит энергопотребление насосов как минимум в четыре раза больше.

4. Отсутствие регулирования расхода холодоносителя. Насосы всегда подают максимальный расход холодоносителя и, следовательно, всегда потребляют максимум электроэнергии.

5. Нестандартный перепад температур на чиллерах. Стандартные температуры входящей/выходящей воды в чиллерных системах составляют 7/12°C. Но в данном случае эти температуры равны 5/14°C, так как 2°C теряется на многоступенчатой теплопередаче в противоточных теплообменниках и на нагрев в насосах. Энергии на охлаждение воды до 5°C требуется больше, чем при охлаждении до 7°C.

Проведя анализ системы кондиционирования здания Бурдж-Халифа, мы понимаем, что у инженера не было задачи построить экономичное здание. Это объясняется в том числе низкой стоимостью электроэнергии в стране. На декабрь 2022 года стоимость 1 кВт электроэнергии в ОАЭ для бизнеса — около 11 евроцентов [1]. Но основная цель — построить самое высокое здание в мире — была с успехом достигнута.

Сделаем аналогичный анализ для системы кондиционирования воздуха отеля Ritz-Carlton. Удобно посчитать энергоэффективность здания по одному типовому этажу. На одном этаже установлены две комбинированные системы VRF, с производительностью наружных блоков 90 кВт каждая, и прямоточная канальная установка для подачи свежего воздуха с производительностью 28 кВт.

Итого максимальная холодопроизводительность систем на одном этаже — 208 кВт, энергопотребление — 65 кВт. Следовательно, коэффициент EER равен 3,2, что в два раза выше, чем в предыдущем примере. За счёт чего достигается такая эффективность? Перечислим главные факторы, повлиявшие на такой результат:

1. Один циркуляционный контур. Нет необходимости терять потенциал охлаждения в многочисленных водяных и фреоновых теплообменниках. Хладагент с одной стороны здания испаряется и непосредственно охлаждает воздух помещений, а с другой стороны конденсируется и сбрасывает теплоту в наружный воздух.

2. Регулируемый расход холодоносителя. Система подаёт столько фреона, сколько нужно в данный момент. Энергия на перекачивание всего объёма холодоносителя не тратится.

3. Температура кипения и температура конденсации максимально близки к температурам охлаждаемой и нагреваемой среды. Чем ближе температуры кипения и конденсации (и давления, соответственно), тем меньше энергии потребляет компрессор на сжатие, тем выше холодильный коэффициент.

2. Компактность

Посчитаем площадь, задействованную под инженерные системы, в наших вариантах. В башне Бурдж-Халифа под инженерные системы отводится: 19 технических этажей здания, часть каждого этажа для расположения транзитных трубопроводов и воздуховодов, непосредственно сам холодильный центр, площадь которого также необходимо учесть.

Площадь одного этажа составляет в среднем 2790 м². Значит, на все технические этажи отводится 53010 м². Технический этаж используется не только для систем охлаждения и вентиляции здания, но также он необходим для систем водоснабжения и водоотведения. Однако с точки зрения занимаемой площади 90% приходится именно на системы кондиционирования и вентиляции. Поэтому примем коэффициент 0,9, и итоговая цифра будет 53010×0,9 = 47709 м².

Площадь, занимаемая транзитными трубопроводами и системами вентиляции на каждом этаже здания, составляет 14 м² (в среднем). Этажей — 162, следовательно, бесполезно теряемая на транзитные воздуховоды площадь здания равна 14×162 = 2268 м². Также следует учесть площадь холодильного центра — 5100 м². Итого занимаемая инженерными системами здания площадь 47709 + 2268 + 5100 = 55077 м².

Поделим на общую площадь здания 454249 м² и получим 12%, то есть около 12% здания бесполезно теряется при данной схеме кондиционирования.

Сделаем аналогичный расчёт для отеля Ritz-Carlton. Удобно сделать расчёт для одного этажа и помножить на количество этажей здания.

Площадь одного этажа около 860 м². Площадь балконов, на которых располагаются наружные блоки, составляет 24 м². Транзитных трубопроводов систем холодоснабжения, которые пересекают этажи по вертикали, нет, поэтому полезная площадь не тратится. Транзитных воздуховодов приточного воздуха также нет, так как разводка поэтажная. Остались только вытяжные воздуховоды, которые выбрасывают загрязнённый воздух на крышу здания. Они занимают около 3 м² на каждом этаже. Итого занимаемая площадь одного этажа здания на системы вентиляции и кондиционирования воздуха равна 27 м² (около 3% от всей площади здания).

Вывод: за счёт отсутствия технических этажей и транзитных трубопроводов инженерные системы отеля Ritz-Carlton примерно в четыре раза компактнее, чем в башне Бурдж-Халифа.

3. Воздушный режим зданий

Чем выше здание, тем больше оно подвержено воздействию воздушных потоков. Во-первых, на высоте скорость ветра всегда выше. Во-вторых, момент силы с высотой также получается больше. Именно поэтому аэродинамика и устойчивость здания приобретают главную роль.

Величина ветрового давления зависит главным образом от высоты и скорости воздуха (табл. 1).

Для осевых вентиляторов наружных блоков VRF-систем максимально возможный напор составляет от 80 до 120 Па, которого без сомнения хватит для зданий высотой до 200 м (табл. 1). Учитывая, что, кроме напора ветра, вентилятор преодолевает небольшой участок воздуховода и наружную решётку, для более высоких зданий этого может быть недостаточно. Поэтому желательно применение дополнительных вентиляторов центробежного типа для усиления воздухообмена на верхних этажах, которые могут включаться при перегреве пространства вокруг наружных блоков. Также необходимо учитывать возможный перегрев верхних этажей здания от тепла наружных блоков нижних этажей. Хотя благодаря повышенной ветровой нагрузке наружные блоки верхних этажей должны охлаждаться, наоборот, лучше.

Заключение

Ограничение перепада высот между наружными и внутренними блоками систем VRF до 110 м не позволяет вынести все наружные блоки на крышу здания. Но поэтажная схема установки наружных блоков, которая была применена в здании отеля Ritz-Carlton, эффективно охватывает здания любой этажности. Основные преимущества данной схемы — это энергоэффективность, отсутствие вертикальных коллекторных трубопроводов, экономия полезного пространства здания. К недостаткам можно отнести необходимость выделения специальных поэтажных балконов для расположения наружных блоков систем VRF (табл. 2).