Эволюция фанкойлов для эффективного кондиционирования воздуха в помещении

Фанкойлы (FCU – fan coil units) широко распространены. Из-за сочетания ожиданий пользователей, климата и моды система, которая когда-то ассоциировалась только с коммерческим применением, все чаще используется в жилых помещениях. В этом материале для повышения квалификации (CPD – Continuing Professional Development – непрерывное профессиональное развитие) будут рассмотрены основные функции и последние разработки в области фанкойлов, которые обеспечивают улучшенные возможности для гибкой и эффективной работы.

Как и при выборе любой системы кондиционирования воздуха, применение фанкойлов будет зависеть от оценки и сравнения относительных преимуществ других централизованных и децентрализованных (унифицированных) систем, а также гибридных, пассивных и естественной вентиляции.

Уже в 1980-х годах FCU нашли применение в офисных зданиях с кондиционированием воздуха и (хотя изначально предназначались для установки в виде отдельно стоящих корпусных блоков) обычно располагаются над подвесными потолками [1]. Сегодня фанкойлы доступны во многих конфигурациях [2], включая:

Ключевым преимуществом использования унитарной системы, такой как фанкойл, является то, что жидкий теплоноситель (обычно вода) для удовлетворения потребностей в отоплении и охлаждении помещения передается в него через трубопровод, что требует значительно меньше места и сопровождается меньшими потерями энергии, чем при передаче такого же количества тепла или холода по воздуховоду. Кроме того, объединение систем отопления и охлаждения упрощает зонирование для разных людей и применений, местное управление и последующую реорганизацию планировки помещений.

Термин «фанкойл» применяется ко многим конфигурациям приборов, но, как следует из названия, устройство всегда включает в себя вентилятор и по крайней мере один теплообменник плюс некоторую систему управления и, как правило, фильтр. Функция FCU – то есть охлаждение и/или обогрев, а также, возможно, вентиляция – будет контролироваться в соответствии с потребностями обслуживаемой зоны, чтобы агрегат мог подавать охлажденный (и потенциально осушенный) или нагретый воздух. Фанкойл обычно не способен увлажнять воздух, но в других отношениях он фактически представляет собой компактную вентиляционную установку (AHU – air handling unit). Однако, в отличие от большинства AHU, многие FCU не подают наружный воздух, а просто рециркулируют и кондиционируют его в помещении. Этот тип фанкойла рационально использовать в сочетании с центральной вентиляционной установкой, которая будет подавать свежий воздух с улицы. Термин «выделенная система наружного воздуха» (DOAS – dedicated outdoor air system) все чаще используется для описания соответствующего типа центральной системы вентиляции.

DOAS может быть рассчитана на подачу необходимого количества воздуха для здания (например, на основе проектной пиковой занятости) при содержании пара (определяемом температурой точки росы приточного воздуха) достаточно низком, чтобы компенсировать парциальное давление газообразной воды внутри помещения, таким образом контролируя уровень влажности в нём. Даже когда центральная система рассчитана на температуру выше точки росы, теплообменник фанкойла должен быть оснащен правильно ориентированным поддоном для конденсата, а если она спроектирована для осушения, то должен быть обеспечен надлежащий дренаж конденсата, возможно, включая конденсатные насосы.

Обычно стальной корпус FCU изолируется для предотвращения конденсации на внешней поверхности во время охлаждения устройства и теплового обмена с пространством, в котором установлен фанкойл, а также для уменьшения передачи шума от устройства. Изоляция должна быть выбрана производителем так, чтобы сбалансировать требования к хорошим акустическим и тепловым характеристикам. К вытяжным воздуховодам вполне можно добавить дополнительную акустическую облицовку, чтобы уменьшить передачу шума через них.

Производительность узла вентилятор/двигатель зависит от конфигурации вентилятора, типа крыльчатки и двигателя. Обычно применяется центробежный (загнутый вперед) или тангенциальный (поперечный) вентилятор с двойным всасыванием, эффективность которого несколько ниже, чем у более крупных, тяжелых вентиляторов с загнутыми назад лопатками и аэродинамическими лопастями, которые обычно используются в системах подачи воздуха центральной AHU – вентиляторы с загнутыми вперед лопатками лучше подходят для низких давлений [3]. Однако, в отличие от центрального вентилятора AHU, давление, требуемое от вентилятора в FCU, относительно низкое, и систему можно спроектировать с достаточной уверенностью – поскольку компоненты всей сборки определяются производителем фанкойла, который может выбрать вентилятор наиболее эффективный в нормальном рабочем диапазоне FCU. Современные конструкции фанкойлов оптимизированы для снижения потерь давления благодаря тщательному проектированию воздуховодов, соединений, фильтров и конфигураций теплообменников.

Двигатели в FCU в последнее время изменились: с традиционно питаемых от сети переменного тока на бесщеточные электродвигатели постоянного тока (постоянный ток) с ЕС (электронной коммутацией). Преобразователь переменного тока в постоянный интегрирован в узел двигателя, поэтому система питается по-прежнему от сети переменного тока. Такие двигатели, вероятно, будут значительно более эффективными, чем двигатели переменного тока – примерно на 30% – и будут иметь достаточно ровную характеристику эффективности во всем диапазоне скоростей. У них простое управление скоростью, что в сочетании с органами управления теплоносителем расширяет возможности регулирования параметров агрегата. Простым примером поддержания одинаковых схем распределения воздуха в течение года может быть автоматическое снижение скорости вентилятора при охлаждении по сравнению с режимом обогрева, поскольку более холодный приточный воздух обладает большей вязкостью, чем нагретый.

Удельная мощность вентилятора (SFP – specific fan power) – сумма расчетных ватт вентиляторов, включая потери через распределительные устройства и органы управления, деленная на расчетный расход воздуха через систему –будет зависеть от конструкции крыльчатки, типа двигателей, потерь на трение в корпусе, теплообменнике, фильтре, а также впускных и выпускных соединениях. В Великобритании эта мощность в новых и модернизированных коммерческих системах ограничена Строительными правилами [Non Dom BS Compliance Guide 2013] до 0,5 Вт/л/с (= Дж/л). При наличии нескольких фанкойлов определяется средний SFP, взвешенный по электрической мощности, потребляемой каждым блоком. Это значительно ниже максимального значения SFP, допустимого, скажем, для централизованной полностью канальной системы кондиционирования (1,6 Дж/л для новых установок). Однако в это значение входит как приточный, так и вытяжной воздух. Такие фанкойлы, вероятно, будут установлены вместе с DOAS, которая будет иметь отдельный дополнительный разрешенный SFP.

Доступны FCU, которые могут напрямую всасывать наружный воздух, а также рециркулировать воздух в помещении. Этот тип фанкойлов стирает границы между AHU комфортного кондиционирования и включает в себя те, которые традиционно называются «вентиляционными агрегатами». Обычно они устанавливаются на стене по периметру, чтобы обеспечить доступ наружному воздуху, и имеют комбинацию органов управления (заслонки) на воздушной стороне, чтобы обеспечить оптимальную подачу свежего воздуха в зону, например, за счет использования «естественного охлаждения», а также управление подачей тепла и охлаждения посредством управления подачей на теплообменник. В недавнем издании основополагающего учебника Фабера и Келла [4] отмечается, что для установок c прямой подачей свежего воздуха через внешние стены «опасность пыли и шумового загрязнения, не говоря уже о перегрузке установки, вызванной давлением ветра, не может быть преувеличена».

Помимо изменения скорости вентилятора, производительность фанкойла можно устанавливать, регулируя подачу нагретой и охлажденной воды (как в агрегате на рисунке 2), или, реже, с помощью заслонок, которые изменяют поток воздуха через отдельные нагревательные и охлаждающие теплообменники, расположенные в корпусе, обеспечивая различные пути его прохождения и, соответственно, степень нагрева/охлаждения.

FCU исторически выбирались в первую очередь из-за их охлаждающего потенциала, что часто приводило к тому, что нагревательные змеевики имели слишком большие размеры при работе с традиционным потоком/обраткой 82°C/71°C или даже с более популярными в последнее время 80°C/60°C. Это создало возможность [5] для отремонтированных установок использовать более низкую температуру подающей отопительной воды, обеспечивая при этом достаточную тепловую мощность. При правильном выборе новые установки FCU могут использоваться с более широкими перепадами температур, что позволяет снизить требуемый объемный расход воды (и мощность насоса) или снизить температуру подачи, чтобы обеспечить эффективную транспортировку воды от водонагревателей с тепловым насосом. Ими также можно управлять, чтобы обеспечить соответствующие температуры обратки, которые позволяют газовым котлам работать в конденсационном режиме. Эти менее традиционные формы управления приобретают популярность, поскольку FCU становятся все более доступными и подключаются к системам управления зданием через сети с открытым протоколом. Охлаждение также может осуществляться с помощью систем прямого испарения хладагента, часто называемых «DX» (прямое расширение), а нагрев — за счет электрического сопротивления. Это переводит такие фанкойлы в категорию «сплит-кондиционеров» и в семейство, включающее системы с переменным потоком хладагента (VRF – variable refrigerant flow).

Варианты конструкции FCU включают «двухтрубную» и «четырехтрубную» систему. Двухтрубный фанкойл имеет один теплообменник и в принципе его можно использовать для нагрева или охлаждения, но со значительными затратами времени и труда: переключать источник теплоносителя (чиллер/котёл), заново наполнять, настраивать и тестировать гидросистему. Это сложно даже 2 раза в год и имеет смысл, только если помещение постоянно нуждается в обогреве или охлаждении (использовать устройство в качестве постоянного обогревателя или охладителя. В качестве альтернативы можно использовать систему, перенаправляющую подачу электроэнергии для всего здания или зоны в режим обогрева или охлаждения. То есть эксплуатировать двойной комплект климатического оборудования, что удваивает и начальные затраты. Но даже такое переключение обычно производится вручную (например, осенью и весной), необычные погодные условия могут затруднить определение оптимального момента, а в больших системах может занять значительное время. Поэтому это не идеальное решение там, где тепловые нагрузки в помещении сильно и часто различаются, особенно в сочетании с капризами погоды.

Четырехтрубная система – как в агрегате на Рисунке 2 – имеет два отдельных теплообменника (два фанкойла в одном корпусе и с одним вентилятором и электроникой), к которым подается нагревающая и охлаждающая вода – хоть переключаясь несколько раз в день, хоть одновременно (неэкономно энергетически, но превращает переключение просто в регулировку). На практике медные змеевики обоих часто имеют один и тот же блок алюминиевых ребер, что снижает габариты и стоимость устройства. При более экономном способе только один из теплообменников будет активен в любой момент с узкой «мертвой зоной», в которой ни нагрев, ни охлаждение не требуются.

Выходная мощность теплообменника обычно контролируется путем изменения скорости потока воды в нём с использованием «равнопроцентного» регулирующего клапана, обеспечивающего линейную зависимость между тепловой мощностью и положением штока. Традиционно это были двухходовые клапаны, которые в идеале должны были иметь авторитет клапана 0,5 (отношение перепада давления через регулирующий элемент к общему перепаду давления в системе), хотя на практике этого было трудно достичь. В последние годы стал популярен «четырехходовой клапан» – по сути, небольшой смесительный клапан в отводящем оборудовании, построенный как законченный блок, с байпасом, который соединяет оба патрубка теплообменника с подачей и обраткой магистрали. Этот тип управления очень популярен, поскольку обеспечивает хороший авторитет клапана, а также постоянный расход в системах водоснабжения. Однако из-за энергетических преимуществ насосных водяных систем с переменным расходом и одновременной разработки и широкого производства двухходовых регулирующих клапанов, независимых от давления (PICV – pressure independent control valves), теперь часто используются последние. Кроме того, они действительно способны поддерживать хороший авторитет клапана. Скорее всего, они будут поставляться в составе комплекта FCU с соответствующим набором расчетных расходов и в составе соединительного узла, который может включать в себя такие опции, как промывочный байпас, дренажные соединения и измерительные станции – как показано на рисунках 3 и 4. Точки измерения на фанкойле – потенциально давление, расход и температура – могут быть легко связаны через местные «интеллектуальные» контроллеры с системой управления зданием, которая в сочетании со регулировкой скорости вентилятора и управлением со стороны воды может использоваться для эффективного контроля энергопотребления и комфорта.

Гибкость в размещении, а также потенциальное количество блоков FCU в занимаемом пространстве и вокруг него требуют тщательно продуманной процедуры ТО, обеспечивающей надлежащее обслуживание фильтров, поддонов для сбора конденсата и насосов, элементов управления и других элементов. Это требует внимания на этапах проектирования, закупок и установки, чтобы гарантировать, что соответствующий доступ может быть обеспечен с наименьшими неудобствами для жителей здания. С расширением использования в жилых домах были случаи, когда фанкойлы устанавливались над оштукатуренными потолками, что предотвращало доступ без разрушения готовых поверхностей. Появление таких недорогих и надежных технологий, как просто управляемый и эффективный EC-двигатель постоянного тока; PICV, обеспечивающий хороший контроль при изменении давления воды; прямая связь с системой управления зданием; оптимизированные воздушные пути, позволяющие снизить рабочее давление вентилятора – все это способствует созданию современных FCU, которые больше подходят для низкоэнергетических систем, необходимых во все более широком спектре применений.