ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ СИСТЕМ КЛИМАТИЗАЦИИ В ОФИСНОМ ПОМЕЩЕНИИ Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

УДК 628.83

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ СИСТЕМ КЛИМАТИЗАЦИИ В ОФИСНОМ ПОМЕЩЕНИИ

© 2018 Д.В. Лобанов, Р.А. Шепс, Н.В. Портнова

Воронежский государственный технический университет, г. Воронеж, Россия

Аннотация: выполнен анализ эффективности работы систем обеспечения микроклимата в офисном помещении, являющихся основными потребителями тепловой энергии в здании. По классификации ГОСТ 30494-2011 «Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях» исследуемое помещение относится ко 2-й категории (помещения умственного труда), для которого нормативными документами регламентированы параметры внутреннего микроклимата и определено качество воздуха. Для исследуемого помещения были выполнены экспериментальные исследования по определению распределения в помещении и изменения во времени основных параметров микроклимата и концентрации углекислого газа для разных периодов года. Замеры выполнялись каждый рабочий день на протяжении двух календарных лет. Исследовали следующие режимы работы систем микроклимата: первый режим - системы кондиционирования воздуха и механическая вентиляция выключены, система естественной вентиляции работает (настежь открыты окна); второй режим - механическая и естественная системы вентиляции выключены, включена система кондиционирования воздуха; третий режим - естественная вентиляция не работает, работают системы кондиционирования воздуха и механическая вентиляция; четвертый режим - системы кондиционирования воздуха и естественной вентиляции не работают, работает механическая вентиляция; пятый режим - системы вентиляции и кондиционирования воздуха отключены. Установлено, что ни один из рассмотренных режимов не способен обеспечить в помещении одновременно температурный и газовый комфорт. Следствием являются огромные капитальные (оборудование, материалы и др.) и текущие (тепловая и электрическая энергии) траты на системы микроклимата, не обеспечивающие ожидаемого эффекта

Ключевые слова: вентиляция офисного помещения, системы обеспечения микроклимата, режимы работы систем вентиляции, персональная вентиляция, анализ работы вентиляционных систем

Введение

Умственная работоспособность

сотрудников организации, их желание трудиться в полную силу зависит, в том числе, от качества воздуха в офисных помещениях. Создавать и обеспечивать комфортный микроклимат призваны системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха.

В настоящее время сложились «определенные традиции» проектирования систем обеспечения микроклимата помещений: общеобменная приточно-вытяжная система вентиляции с механическим побуждением (схема организации воздухообмена сверху-вверх) совместно с установкой системы кондиционирования воздуха (чиллер-фанкойл, сплит-системы, УЯБ системы и т.д.). Как показывают многочисленные опросы, подавляющее большинство сотрудников не довольны работой вентиляционных систем: одним кажется жарко, вторым - холодно, третьим - душно и т.д. Причина недовольства состоит в том, что «традиционные» системы не способны обеспечивать тепловой, газовый комфорт в помещении (на рабочих местах) и создавать качественную воздушную среду, удовлетворяющую потребности всех

сотрудников. Дело в том, что человек индивидуален в предпочтениях внутреннего микроклимата: у каждого свое понимание «комфорта».

Экспериментальные исследования

В данной работе выполнены экспериментальные исследования

эффективности работы систем климатизации в офисном помещении, расположенном в г. Воронеже. Характеристика помещения (см. рис. 1): ориентация окон - юг, площадь 73,26 м2, высота 2,7 м), оборудовано 10 постоянными рабочими местами (8 - со стационарными ПЭВМ, 2 - с ноутбуками). Помещение оснащено системами прямоточной приточно-вытяжной механической общеобменной вентиляции (схема организации воздухообмена сверху-вверх) без охлаждения и кондиционирования воздуха (сплит-системы). Системы запроектированы с учетом требований и рекомендаций действующих нормативных документов. Проведем экспериментальные исследования распределения во времени основных параметров микроклимата в помещении умственного труда с применением ПЭВМ. Для их измерения использовался

комбинированный прибор оценки качества воздуха в помещении РСЕ-СА 70 (см. рис. 2).

план с системами обеспечения параметров микроклимата

П

размещение постоянных рабочих мест

О о

Ii

Кабинет проектировщиков 73.26

I-

I»

00

«1

00

Ii

о

ООО

Рис. 1. Схема исследуемого помещения с размещением систем обеспечения микроклимата

Диапазон измерений концентрации 0 ... 6000 ррт СОз

СО 2 +3% vom Messwert oder ±50

Точность ррт

Разрешение Ipptn

Температура -20 ... +60 °С

Точность ±0.5 °С

Разрешение 0,1 °С

Влажность воздуха 10 ... 95% отн. влажн.

Точность +3% отн. влажн.

Разрешение 0,1 % отн. влажн.

Ручное сохранение данных 99 значений

Память автоматическая 20000 значений

Условия эксплуатации 5 ... +50 °С/ 10 ... 95% отн. влажн.

Питание 6 х 1,5 В батареи типа АА

Размеры 148 х 72x35 мм

Вес 255 тр.

Рис. 2. Внешний вид и технические характеристики комбинированного прибора оценки качества воздуха в помещении

РСЕ^А 70

Для помещений умственного труда принимают параметры внутреннего

микроклимата и качество воздуха, приведенные

в табл. 1 требованиям документов [1, 2, 3]:

2, которые действующих

соответствуют нормативных

Таблица 1

Оптимальные и допустимые нормы температуры, относительной влажности и скорости движения воздуха в обслуживаемой зоне общественных зданий

Период года Наименование помещения или категория Температура воздуха, °С Результирующая температура, °С Относительная влажность, % Скорость движения воздуха, м/с

оптимальная допустимая оптимальная допустимая оптимальная допустимая, не более оптимальная, не более допустимая, не более

Холодный 2 категория 19-21 18-23 18-20 17-22 45-30 60 0,2 0,3

Теплый Помещения с постоянным пребыванием людей 23-25 18-28 22-24 19-27 60-30 65 0,3 0,5

Таблица 2

Классификация качества воздуха в помещениях

Класс Качество воздуха в помещении Допустимое содержание СО2*, ppm

Оптимальное Допустимое

1 Высокое — 400 и менее

2 Среднее — 400—600

3 — Допустимое 600—1000

4 — Низкое 1000 и более

* Допустимое содержание СО2 в помещениях принимают сверх содержания СО2 в наружном воздухе.

При обосновании выбора требуемого работоспособность людей, приведенные в табл. качества воздуха в помещении следует 3. учитывать его влияние на здоровье и

Таблица 3

Влияние концентрации углекислого газа в помещении на здоровье и работоспособность человека

Уровень СО2 (ppm) Качество воздуха и его влияние на человека

Атмосферный воздух 300- 400 ppm Идеальный для здоровья человека

400-600 ppm Нормальное качество воздуха

До 600 ppm Уровень, рекомендованный для спален, детских садов и школ

600-800 ppm Появляются единичные жалобы на качество воздуха

800-1000 ppm Более частые жалобы на качество воздуха

1000 ppm Максимальный уровень стандартов ASHRAE и OSHA

Выше 1000 ppm Общий дискомфорт, слабость, головная боль, проблемы с концентрацией внимания. Растет число ошибок в работе. Начинаются негативные изменения в ДНК

Выше 2000 ppm Может вызвать серьезные отклонения в здоровье людей. Количество ошибок в работе сильно возрастает. 70% сотрудников не могут сосредоточиться на работе

5000 ppm Максимально допустимая концентрация в течение 8 часового рабочего дня

Для исследуемого помещения были выполнены экспериментальные исследования по определению распределения в помещении и изменения во времени основных параметров микроклимата и концентрации углекислого газа, являющегося индикатором качества воздуха, для разных периодов года. Замеры выполнялись каждый рабочий день (с 9.00 до 18.00 часов), на протяжении двух календарных лет. Исследовали следующие режимы работы систем микроклимата.

Первый режим - механическая система вентиляции выключена, естественная работает (настежь открыты окна), система кондиционирования / охлаждения воздуха (сплит-система) выключена;

Второй режим - механическая и естественная системы вентиляции выключены,

включена система кондиционирования / охлаждения воздуха (сплит-система);

Третий режим - естественная вентиляция не работает, работает механическая вентиляция и сплит-система;

Четвертый режим - естественная вентиляция и сплит-система не работает, работает механическая вентиляция;

Пятый режим - системы вентиляции и охлаждения (сплит-система) отключены.

По результатам измерений выполнены графики распределения во времени температуры внутреннего воздуха,

относительной влажности, концентрации углекислого газа для разных периодов года, которые представлены на рис. 3-5 (теплый период года), рис. 6-8 (холодный период года).

Рис. 3. Распределение концентрации углекислого газа (СО2) в рабочей зоне с течением времени в теплый период года

Рис. 4. Распределение температуры воздуха в рабочей зоне с течением времени в теплый период года

Рис. 5. Распределение относительной влажности (фв) в рабочей зоне с течением времени в теплый период года

Рис. 6. Распределение концентрации углекислого газа (СО2) в рабочей зоне с течением времени в холодный период года

t°C

25 24,5 24 23,5 23 22,5 22 21,5 21 20,5 20 19,5 19 18,5 18

Температура

А воздуха,

V

/1 I nillJQL. IT nW* >

jjjflU 1* IT

5 л* *7v Л

№ Лг 4

л г

f у Доп;

Оптш V сальная f

J

J -5

55 110

I I

10:00 11:00

220 275 330 385

Ч-1-1-1—

7:00 13:00 14:00 15:00

495 550 „

I_|_ Время рабочего дня, час

17:00 'V«'

Рис. 7. Распределение температуры воздуха (Чв) в рабочей зоне с течением времени в холодный период года

Рис. 8. Распределение относительной влажности (фв) в рабочей зоне с течением времени в холодный период года

Рассмотрим изменения параметров микроклимата в течение рабочего дня в зависимости от режима работы систем климатизации (режимы 1-5).

На графиках для удобства сравнения полученных экспериментальных значений с нормативными требованиями показаны соответствующие области.

При 1-м режиме: концентрация углекислого газа (СО2) варьируется в узких пределах от 450 ррт до 600 ррт и в значительной степени зависит от значения концентрации СО2 в наружном воздухе (практически становится равной). Температура внутреннего воздуха увеличивается в течение всего рабочего дня, в зависимости от изменения температуры наружного воздуха и может достигать значений выше допустимых нормативными документами. Относительная влажность воздуха в помещении также постепенно увеличивается/уменьшается в течение всего рабочего дня в зависимости от параметров наружной среды. Такой климатический режим в помещении возможен с конца апреля до середины сентября.

При 2-м режиме: концентрация углекислого газа (СО2) постоянно увеличивается с течением времени, достигая значений 1500 ррт и выше (в зависимости от характера внутренних источников выделения). Температура внутреннего воздуха с течением времени падает, достигая комфортных значений, заданных человеком на пульте управления сплит-системой. Относительная влажность воздуха в помещении также меняется в течение всего рабочего дня в зависимости от внутренних условий. Такой климатический режим в помещении характерен в летние месяцы (особо жаркие дни), когда температура наружного воздуха превышает допустимые параметры воздушной среды в помещении и, следовательно, применение естественной вентиляции не приносит желаемого температурного комфорта, воздух приходится охлаждать.

При 3-м режиме: концентрация углекислого газа (СО2) медленно увеличивается с течением времени, достигая значений 1000 ррт и выше (в зависимости от характера внутренних источников выделения). Изменения температуры внутреннего воздуха и относительной влажности аналогичны 2-му режиму. Такой климатический режим в помещении характерен в летние месяцы, когда

температура наружного воздуха превышает допустимые параметры воздушной среды в помещении и, следовательно, приходится воздух охлаждать, а применение естественной вентиляции невозможно из-за очень загрязненного наружного воздуха (крупные города, промышленные центры и т.д.)

При 4-м режиме: концентрация углекислого газа (СО2) медленно увеличивается с течением времени, достигая значений 1100 ррт и выше (в зависимости от характера внутренних источников выделения).

Температура внутреннего воздуха с течением времени незначительно растет в зависимости от внутренних источников тепловыделения. Относительная влажность воздуха в помещении меняется в течение всего рабочего дня в зависимости от внутренних условий. Такой климатический режим в помещении характерен в холодные месяцы (с октября по март).

При 5-м режиме: концентрация углекислого газа (СО2) резко увеличивается с течением времени, достигая значений 1600 ррт и выше (в зависимости от характера внутренних источников выделения).

Температура внутреннего воздуха с течением времени увеличивается в зависимости от внутренних источников тепловыделения. Относительная влажность воздуха в помещении меняется в течение всего рабочего дня в зависимости от внутренних условий. Такой климатический режим в помещении характерен в холодные месяцы (с октября по март) при отсутствии механической вентиляции.

Также возможны чередования

климатических режимов помещения: 1 - 2, 1 - 3 и т.д.

Выводы

Выполнив анализ вышесказанного и возможных комбинаций климатических режимов работы помещения, можно сделать следующие выводы: ни один из режимов или их комбинаций не способен обеспечить в помещении одновременно температурный и газовый комфорт (качество внутреннего воздуха на всех режимах допустимое или низкое). Наиболее благоприятным (с точки зрения содержания углекислого газа) климатическим режимом помещения в теплый период года является совмещение чередования

работы естественной вентиляции и работы охладителя (сплит-системы), что

нерационально, т.к. охладив помещение, мы вновь его нагреваем.

Применение же традиционных систем климатизации (механической приточно-вытяжной вентиляции и сплит-систем) зачастую не решает поставленной задачи обеспечения в помещении одновременно газового и температурного комфортов, вследствие повсеместного применения схемы организации воздухообмена сверху-вверх. Причина неэффективности проста:

смешивающая система вентиляции не способна «бороться» со всеми вредностями в помещении одновременно. Согласно современным отечественным нормам, расход воздуха следует определять отдельно для теплого, холодного периодов года и переходных условий по основным вредностям в помещении (в офисном - тепло-, влагоизбытки, углекислый газ), принимая большую из величин [4]. Сразу отметим, что приняв за расчетный воздухообмен большую из величин (например, для ассимиляции избытков теплоты), мы не гарантируем разбавление (удаление)

расчетным расходом воздуха (при данной схеме воздухораспределения) других вредностей в помещении (влагоизбытки, углекислый газ). Это очень важный момент, так как углекислый газ (СО2) считается индикатором качества воздушной среды в помещении [1, 5]. Известно, что СО2 примерно в 1,5 раза тяжелее воздуха, поэтому невозможно организовать комфортную воздушную среду в помещении с помощью смешивающей системы вентиляции без применения дополнительных мероприятий.

Решить данную проблему можно разными способами:

1. В реконструируемых помещениях доработать существующие системы

обеспечения микроклимата с учетом возможности локального регулирования и установкой местных устройств, повышающих

качество воздушной среды (например, воздухоочистители «Аэролайф»);

2. Во вновь строящихся зданиях по возможности устраивать системы вентиляции с высоким коэффициентом эффективности системы воздухораспределения. Такими системами могут быть вытесняющая, персональная [6] и другие с установкой локальных средств улучшения комфортной среды.

Проведенные исследования доказывают актуальность и необходимость разработки и внедрения эффективных систем вентиляции, позволяющих создавать нормируемые параметры микроклимата непосредственно на рабочих местах. Создать эффективную систему микроклимата - это сложная задача, требующая не только удаления всех вредных веществ в помещении, но и создания благоприятной среды для здоровья, самочувствия и работоспособности людей.

Литература

1. ГОСТ 30494-2011 «Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях».

2. СанПиН 2.2.2/2.4.1340-03 «Гигиенические требования к персональным электронно-вычислительным машинам и организации работы».

3. ГОСТ Р ЕН 13779—2007 «Вентиляция в нежилых зданиях. Требования к системам вентиляции и кондиционирования».

4. СП 60.13330.2016 «Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха. Актуализированная редакция СНиП 41-01-2003».

5. Лобанов Д.В., Полосин И.И. Углекислый газ как показатель качества внутреннего воздуха и эффективности работы системы вентиляции // Высокие технологии. Экология: материалы 15-й межрегион. науч.-практ. конф. Воронеж: ВГАСУ. 2013. С. 21-27.

6. Лобанов Д.В., Полосин И.И. Схема создания комфортных климатических параметров в офисах // Сантехника, отопление, кондиционирование. 2015. № 2 (158). С. 58-61;

7. Шепс Р.А., Щукина Т.В. Теплозащитные свойства ограждений с учетом прогнозируемых условий эксплуатации // Жилищное строительство. 2015. № 7. С. 29-30.

Поступила 05.04.2018; принята к публикации 16.05.2018 Информация об авторах

Лобанов Дмитрий Валерьевич - старший преподаватель кафедры жилищно-коммунального хозяйства, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), тел. +7(908) 1415340; email: LDV-36@mail.ru

Шепс Роман Александрович - старший преподаватель кафедры жилищно-коммунального хозяйства, Воронежский государственный технический университет (394006, г. Воронеж, Московский проспект, 14), тел. +7(960) 1316601; e-mail: romansheps@yandex.ru

Портнова Надежда Валериевна - аспирант кафедры жилищно-коммунального хозяйства, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), тел. +7(950) 7624843; e-mail: nportnova@vgasu. vrn.ru

EXPERIMENTAL STUDIES OF ENERGY EFFICIENCY OF CLIMATE SYSTEMS WORK IN

THE OFFICE SPACE

D.V. Lobanov, R.A. Sheps, N.V. Portnova

Voronezh State Technical University, Voronezh, Russia

Abstract: the analysis of the efficiency of microclimate maintenance systems in the office premises, which are the main consumers of thermal energy in the building, is performed. According to GOST 30494-2011 "Residential and public buildings. Microclimate parameters for indoor enclosures", the room under examination belongs to the 2nd category (mental work rooms) for which the regulatory documents set the parameters of the internal microclimate and determine the quality of the air. For the room, experimental studies were carried out to determine the distribution and the time variations in the main parameters of the microclimate and the concentration of carbon dioxide for different periods of the year in the room. The measurements were carried out every working day for two calendar years. The following operating modes of microclimate systems were investigated: the first mode - air conditioning and mechanical ventilation are switched off, the natural ventilation system works (windows are wide open); the second mode - mechanical and natural ventilation systems are switched off, the air conditioning system is switched on; the third mode - natural ventilation does not work, air conditioning systems and mechanical ventilation work; the fourth mode - air conditioning and natural ventilation systems do not work, mechanical ventilation works; fifth mode - ventilation and air conditioning systems are disabled. It was established that none of the regimes considered was capable of providing simultaneous temperature and gas comfort in the room. The consequence is huge capital (equipment, materials, etc.) and current (thermal and electrical energy) wastage for microclimate systems that do not provide the expected effect

Key words: ventilation of office premises, microclimate maintenance systems, operating modes of ventilation systems, personal ventilation, analysis of the operation of ventilation systems

References

1. GOST 30494-2011 "Residential and public buildings. Microclimate parameters for indoor enclosures"

2. SanPiN 2.2.2/2.4.1340-03 "Hygienic requirements to personal electronic computers and work organization" ("Gigienicheskie trebovaniya k personal'nym elektronno-vychislitel'nym mashinam i organizatsii raboty")

3. GOST R EN 13779-2007 "Ventilation for non-residential buildings. Performance requirements for ventilation and room-conditioning systems"

4. SP 60.13330.2016 "Heating, ventilation and air conditioning. The updated edition of SNiP 41-01-2003"

5. Lobanov D.V., Polosin I.I. "Carbon dioxide as an indicator of internal air quality and efficiency of the ventilation system", Proc. of the 15th interregional scientific-practical conference "High technologies. Ecology" (Vysokie tekhnologii. Ekologiya: materialy 15-y mezhregional'noy nauchno-prakticheskoy konferentsii), Voronezh, VSUACE, 2013, pp. 21-27.

6. Lobanov D.V., Polosin I.I. "Scheme of creating comfortable climatic parameters in the office", Plumbing, heating, air-conditioning (Santekhnika, otoplenie, konditsionirovaniej, 2015, no. 2 (158), pp. 58-61.

7. Sheps R.A., Shchukina T.V. "Heat-shielding properties of barriers taking into account projected operating conditions", Housing construction (Zhilishchnoe stroitel'stvoj, 2015, no. 7, pp.29-30.

Submitted 05.04.2018; revised 16.05.2018

Information about the authors

Dmitriy V. Lobanov, Assistant Professor, Voronezh State Technical University (14 Moskovskiy prospekt, Voronezh 394026, Russia), tel: +7(908) 1415340; e-mail: LDV-36@mail.ru

Roman A. Sheps, Assistant Professor, Voronezh State Technical University (14 Moskovskiy prospekt, Voronezh 394026, Russia), tel.: + 7 (960) 1316601; e-mail: romansheps@yandex.ru

Nadezhda V. Portnovа, Graduate Student Voronezh State Technical University (14 Moskovskiy prospekt, Voronezh 394026, Russia), tel: +7(950) 7624843; e-mail: nportnova@vgasu.vrn.ru