Климатические балки — это устройства для поддержания оптимальной температуры в помещении путем охлаждения и нагрева воздуха. Существует несколько видов климатических балок, каждый из которых имеет свои особенности.
Климатические балки (их также называют охлаждающими балками) начали применяться в Европе и Северной Америке в середине 1990-х годов в качестве альтернативы классическим системам кондиционирования. В последние годы в России их активно продвигают компании FlackWoods, TROX, Swegon и другие.
Применение охлаждающих балок оправданно в помещениях с высокими требованиями к качеству микроклимата. С их помощью достигается тепловой комфорт, обеспечиваются низкий уровень шума, экономия энергии и эффективное использование пространства. Климатические балки рекомендуется применять в офисных, гостиничных, лечебных учреждениях, а также в магазинах и ресторанах.
Причины появления климатических балок
Климатические балки появились в результате неудовлетворенности уровнем комфорта, который обеспечивают традиционные офисные кондиционеры. К недостаткам классических систем кондиционирования следует отнести чересчур сильный поток холодного воздуха, приводящий к простудам, а также шум и необходимость отвода дренажа.
У каждого недостатка есть свои причины. Чтобы обеспечить компактность прибора, инженерам пришлось увеличить расход и скорость выдуваемого воздуха, а также выбрать более низкую температуру холодоносителя. В результате температура испарителя оказывается ниже точки росы, что приводит к выпадению конденсата, вызывая необходимость его удалять. Впрочем, в офисном помещении всегда есть влагопритоки, так что осушение воздуха — полезная функция. Наконец, повышенный расход воздуха потребовал использования вентилятора, а он создает шум.
Решение проблем виделось в отказе от вентилятора и дренажа путем повышения температуры холодоносителя в системе. Возникли новые сложности — внутренние блоки стали заметно более крупногабаритными и металлоемкими. При этом задачу удаления избытков влаги пришлось переложить на систему вентиляции.
Таким образом, климатические балки представляют собой альтернативу фэнкойлам (поскольку холодоносителем в климатических балках выступает вода, их правильнее сравнивать именно с фэнкойлами, а не с кондиционерами). Решение о том, какой тип оборудования принимать — фэнкойлы или балки, — зависит от приоритетов заказчика на каждом конкретном объекте.
Нормативные документы
Основным нормативным документом, описывающим устройство систем охлаждения с использованием климатических балок, следует признать Р НОСТРОЙ 2.15.13–2015 «Инженерные сети зданий и сооружений внутренние. Основные схемы систем вентиляции и кондиционирования» (раздел 6.6 «Схемы центральных систем кондиционирования воздуха с климатическими балками»).
Принцип работы пассивных охлаждающих балок
Охлаждающие балки представляют собой теплообменники, по трубкам которых протекает холодоноситель, за счет которого и охлаждается воздух в помещениях. Таким образом, они напоминают сразу два вида климатической техники — конвекторы и фэнкойлы.
Подобно конвекторам, в балках отсутствует принудительный обдув, и теплообмен происходит за счет естественных гравитационных сил. Балки устанавливают под потолком, поскольку теплый воздух скапливается именно там. Контактируя с балкой, воздух охлаждается и опускается к полу. Одновременно с этим вверх устремляются потоки нагретого воздуха.
Сходство с фэнкойлами заключается в общем холодоносителе — воде. Однако из-за отсутствия вентилятора процесс охлаждения воздуха климатическими балками носит гораздо менее интенсивный характер, а для того, чтобы обеспечить достаточный теплосъем, размеры теплообменника заметно увеличены (рис. 1).
Принцип работы активных охлаждающих балок
Выше был описан принцип работы пассивных балок, но существуют и активные климатические балки (их также называют активизированными). С их помощью обеспечивается не только охлаждение помещения, но и вентиляция, а при необходимости и отопление.
Активные охлаждающие балки представляют собой теплообменник, над которым проложен приточный воздуховод с охлажденным воздухом.
В воздуховод встроены форсунки — воздухораспределители, создающие узкую направленную струю. Они установлены вдоль самой балки, но направлены несколько в сторону и не обдувают теплообменник.
Подаваемый воздух уже охлажден, и прогонять его через теплообменник нет смысла. Он выполняет другую задачу. За счет эффекта эжекции подаваемый воздух подсасывает теплый воздух из помещения. Именно он проходит через теплообменник с холодной водой и охлаждается.
Расход эжектируемого (рециркуляционного) воздуха в 4–5 раз превышает расход воздуха из системы вентиляции. После теплообменника эжектируемый воздух смешивается с приточным и возвращается в помещение (рис. 2, 3).
Краткие технические характеристики
Итак, если пассивная климатическая балка только охлаждает воздух, то активная балка совмещает функции вентиляции и кондиционирования. Холодильная мощность (теплосъем) балок зависит главным образом от перепада температуры воды на входе и выходе из балки и разности температуры воздуха в помещении и средней температуры воды в балке.
Мощность пассивных балок находится в диапазоне от 100 до 600 ватт на один метр длины, мощность активных балок достигает 800 ватт на метр. Для стандартного перепада температуры воды на входе/выходе из балки — 3°C — эти цифры составляют около 200 Вт на метр длины для пассивных балок и до 450 Вт на метр длины для активных. Средний расход приточного воздуха для активных балок достигает 80 кубических метров в час.
Пассивные климатические балки следует применять в помещениях с удельными теплоизбытками не более 80 ватт на один квадратный метр, активные — в помещениях с удельными теплоизбытками не более 120 ватт на один квадратный метр при удельном расходе приточного воздуха от 5 до 10 кубических метров в час на 1 квадратный метр.
Инфраструктура для работы климатических балок
В структурной схеме системы холодоснабжения климатические балки играют роль доводчиков, по сути, заменяя фэнкойлы. Как и в случае с фэнкойлами, для функционирования системы должно быть предусмотрено центральное холодильное оборудование — холодильные машины или чиллеры.
Холодильная мощность чиллеров выбирается путем расчета теплоизбытков в обслуживаемых помещениях. Система холодоснабжения может быть как одноконтурной, так и двухконтурной, однако есть нюанс.
Во избежание выпадения конденсата температура холодной воды, подаваемой к балкам, не должна опускаться ниже +14°C (вспомним, что климатические балки изначально разрабатывались как инструмент для охлаждения воздуха без выпадения конденсата). В стандартных чиллерных системах температура подаваемой воды составляет +7°C, реже +10°C, а для подачи +14°C подойдет не каждый чиллер.
В связи с этим преимущество получает двухконтурная система холодоснабжения. Во внутреннем контуре циркулирует водный раствор этиленгликоля, который устойчив к заморозкам и, в отличие от водяной системы, не требует слива на зиму. Во внутреннем контуре циркулирует чистая вода как наиболее дешевый и эффективный холодоноситель. Контуры связаны друг с другом промежуточным теплообменником (обычно пластинчатого типа).
Наличие теплообменника обеспечивает гидравлическую развязку контуров и позволяет поддерживать во внутреннем контуре требуемую температуру — те самые +14°C для подающей магистрали.
В случае применения активных балок на объекте должна быть предусмотрена система приточно-вытяжной вентиляции. Воздуховоды приточной системы подводятся к климатическим балкам, а вытяжка осуществляется при помощи обычных решеток и диффузоров (рис. 4).
Так как в системах холодоснабжения на базе климатических балок не образуется конденсат, то необходимость в системе дренажа отпадает. В холодильных балках отсутствуют поддоны для сбора конденсата, при выполнении сервисного обслуживания все связанные с ним работы отсутствуют. Кроме того, в холодильных балках отсутствуют вентиляторы и фильтры, что также упрощает сервис и не требует подведения электрических кабелей к местам установки балок.
Итак, применение климатических балок позволяет отказаться от двух инженерных подсистем здания — дренажа и электроснабжения внутренних блоков системы кондиционирования.
Подробнее источник: Расчет климатических балок
Преимущества и недостатки климатических балок
Активные и пассивные климатические балки не имеют движущихся частей (вентиляторов), следовательно, они не потребляют электроэнергию, в них нечему шуметь и ломаться — всё это относится к преимуществам данного вида оборудования. Кроме того, к преимуществам следует отнести отсутствие направленных потоков холодного воздуха, которые задувают те или иные рабочие места на большинстве объектов.
Для работы пассивных балок требуется охлажденная вода, но температура этой воды выше, чем для фэнкойлов. Подготовка более теплого холодоносителя — суть снижение энергозатрат на его подготовку, а, значит, существенное повышение энергоэффективности системы охлаждения в целом.
Для активных климатических балок характерно более простое регулирование холодопроизводительности конкретного устройства. Как известно, для каждого фэнкойла необходимо предусматривать узел обвязки (узел регулирования). В активных климатических балках регулирование сводится к регулированию расхода холодного воздуха, исходящего из форсунок или же к перекрытию части этих форсунок.
Для климатических балок требуются трубы увеличенной длины и значительно более высокие габариты теплообменников. Всё это ведёт к увеличению габаритов системы, что и является одним из её недостатков. Впрочем, балки устанавливаются непосредственно в обслуживаемых помещениях, а фальшпотолки типового офисного кабинета практически пустуют и вполне способны уместить крупногабаритные климатические балки.
Следует помнить, однако, что увеличение длины и количества трубопроводов ведёт к увеличению расхода и требуемого напора воды, что в свою очередь повышает требования к насосной группе — её мощности и производительности.
Ещё одна особенность охлаждающих балок заключается в том, что они снимают только явные теплоизбытки. Температура холодного потока воздуха в активных балках и температура воды в пассивных выше точки росы, конденсат не образуется, отвод влаги не осуществляется.
С одной стороны, это плюс, так как не требуется устройство системы дренажа. С другой стороны, люди выделяют влагу, и её нужно отводить. В традиционных системах кондиционирования отвод влаги осуществляется автоматически — она конденсируется на испарителе и посредством дренажной системы отправляется в канализацию. В системах охлаждения на базе климатических балок об отводе влаги следует позаботиться отдельно. Например, рассмотреть вопрос её отвода через систему общеобменной вентиляции.
Наконец, климатические балки имеют относительно низкий теплосъём на единицу длины, поэтому они далеко не всегда эффективны на объектах с высокими теплоизбытками. Например, их нет смысла предусматривать для охлаждения центров обработки данных. А вот для кондиционирования конференц-залов они вполне могут подойти. Если их холодильной мощности будет достаточно для компенсации теплоизбытков в конференц-зале, то они помогут избавиться от сильных потоков холодного воздуха, которые обычно бывают при установке кондиционеров.
Потери давления по воде
При подборе климатических балок следует обращать особое внимание на перепад давления воды. Теплосъем с одного метра балки относительно мал, и для уменьшения количества балок в помещении прибегают к применению балок большей длины. Однако потери давления по воде при этом существенно возрастают.
Действительно, при увеличении длины балки увеличивается и ее холодопроизводительность, а для этого при той же длине балки должен быть увеличен расход воды. Увеличение расхода ведет к повышению потерь давления. К этому же ведет и увеличение длины теплообменника.
Анализ технических данных показывает, что при увеличении длины балки в 2 раза потери давления возрастают в 6–10 раз.
Сфера применения
Подбор климатических балок для реальных помещений показывает, что их размеры заметно крупнее габаритов фэнкойлов и кондиционеров. В помещении, где можно установить один фэнкойл, длина которого редко превышает один метр, потребуется установить несколько балок общей длиной 10–20 метров. Это ограничивает их применение, например, в офисах. Но на некоторых объектах данные недостатки не играют существенной роли.
Один из примеров — гостиничные номера или иные компактные помещения с постоянным пребыванием человека. Теплоизбытки в таких помещениях невелики, а идеального места для установки фэнкойла порой не найти — где бы он ни был установлен, поток холодного воздуха будет мешать. К тому же именно в гостиницах гости чаще всего жалуются на шум от работы кондиционера. И здесь приходят на помощь климатические балки.
Еще один пример — галереи в торговых центрах. Это большие помещения без окон с относительно малым количеством людей. Удельные теплоизбытки в них невелики, что делает возможным установки климатических балок по всей длине галереи. Аналогичная ситуация наблюдается в просторных залах ожидания современных аэропортов.
В помещениях с плотной рассадкой людей климатические балки также могут пригодиться, если их холодопроизводительности будет достаточно для отвода теплоизбытков. При плотной рассадке сложно подобрать место для кондиционера, чтобы он никого не задувал, и климатические балки являются настоящим спасением.
Применение климатических балок для отопления помещений
Активные климатические балки могут применяться не только для охлаждения, но и для отопления помещений (пассивные балки применяются только для охлаждения). Чтобы реализовать режим отопления, в теплообменник следует подавать горячую воду.
Возможны два варианта — использование 4-трубных климатических балок, которые могут быть одновременно подключены и к системе холодоснабжения, и к системе теплоснабжения, и устройства переменной водной системы. Во втором случае балки остаются двухтрубными, а система трубопроводов подключена к системам холодоснабжения и теплоснабжения одновременно. В зависимости от положения отсечных кранов к балке будет подаваться холодная или горячая вода, что и повлечет за собой смену режима работы балки.
Оптимальная температура воды в климатической балке, работающей в режиме отопления, составляет +35…+40°C, максимальная — +45°C. Перепад температуры между прямым и обратным потоком — от +5 до +10°C. Регулирование теплопроизводительности системы осуществляется за счет изменения скорости движения (расхода) теплоносителя и его байпасирования.
Заключение
Климатические балки представляют собой особый вид доводчиков для систем холодоснабжения. Они отличаются бесшумной работой, отсутствием конденсата, слабым напором холодного воздуха. Активные климатические балки выполняют функции не только системы кондиционирования, но и систем отопления и вентиляции.
Климатические балки хорошо подходят для охлаждения гостиничных номеров, помещений с плотной рассадкой людей, больших пространств наподобие галерей торговых центров и залов ожидания в аэропортах.
По теме: Климатические балки: проектирование, монтаж, эксплуатация