Системы естественного охлаждения

Простейшие способы охлаждения воздуха известны человечеству с незапамятных времен. И если не принимать в расчет тенты, опахала и веера, то по-настоящему первый достаточно сложный способ естественного охлаждения воздуха появился в древнем Египте.

На обнаруженных в этой стране фресках, датируемых 2500 годом до н.э., изображены слуги, обмахивающие пористые кувшины с водой, дабы вода не нагревалась.

Для охлаждения воздуха кувшины устанавливались у окна. Возникнув в Египте, пассивное испарительное охлаждение с естественной тягой воздуха (принцип PDEC - passive downdraught evaporative cooling ) распространилось на все страны с сухим и жарким климатом.

В Персии существовал обычай накрывать шатры мокрым войлоком.

Постоянные жилища строились наполовину уходящими под землю, причем люди стремились к расположению их вблизи источников воды.

Воду направляли так, чтобы она падала прямо перед входом в небольшой водоем, над которым устанавливали вентиляционную колонну для отвода теплого сухого воздуха. Воздух над водой охлаждался, отдавая часть своей теплоты на испарение воды, и увлажнялся, создавая прохладу.

Этот способ трансформировался в архитектурный вариант атриума с фонтаном. 

Сегодня существуют компании, производящие охладители, использующие технологию пассивного испарительного охлаждения с естественной тягой воздуха.

Много приемов естественного охлаждения воздуха применялись в Индии, в Японии и других странах.

В Российской империи в Одессе оперный театр, построенный в 1887г., имел систему естественного охлаждения воздуха. В ней использовался аккумулятор холода в виде шахты, углубленной в землю на 11 метров.

Туда летом сбрасывали лед (вперемежку с соломой). Шахта соединялась с вентиляционным каналом, вымощенным базальтовыми камнями. Холодный воздух за счет естественной тяги поднимался в театральный зал, где уже распределялся под каждое сидение.

Сейчас, безусловно, основной способ охлаждения воздуха - это высокотехнологичные системы кондиционирования.

Однако в XXI веке всё большее значение приобретает энергосбережение при кондиционировании. Учитывая ухудшающееся состояние окружающей среды, обеспечение чистоты воздуха в помещении является одной из наиболее важных проблем. И в некоторых случаях способы естественного охлаждения могут помочь решить эту проблему. 

В сфере вентиляции и кондиционирования воздуха солнечную энергию можно применять для охлаждения воды или для сорбционного осушения воздуха.

Оба варианта идеально подходят для ситуаций, когда воздух должен быть охлажден и, в случае необходимости, осушен. В принципе они сопровождаются достаточно эффективной рекуперацией тепла и позволяют осуществлять оптимизацию зимнего потребления энергии.

Тепловые солнечные системы имеют то преимущество, что в их случае во всей системе вентиляции и кондиционирования могут применяться привычные и имеющиеся в наличии типовые компоненты.

Дальнейшее расширение применения солнечных кондиционерных систем открывает поистине неограниченный потенциал энергосбережения.

Это подтверждают такие цифры, например, по Германии: в годовом исчислении 30%-ный рост доли солнечных систем в новых установках кондиционирования воздуха ведет к годовой экономии первичной энергии в объеме примерно 75 ГигаВатт-часов.

Это соответствует сокращению эмиссии  СО2 более чем на 16 тыс. тонн. Подобные цифры достигаются и в случае солнечных сорбционных установок кондиционирования воздуха: возрастание их доли на рынке в целом (включая охлаждение) до 30%- это сбережение примерно в 100 ГигаВатт-часов первичной энергии.

Что соответствует ежегодному сокращению выбросов углекислого газа на 21,2 тыс. тонн. Следовательно, за счет указанных источников в Германии к 2020г. возможно сокращение эмиссии углекислого газа на 500 тыс. тонн.

Хорошая организация воздушных потоков в здании является основой распространения полученного тепла по помещениям за счет естественной конвекции.

Это достигается созданием вертикальных воздушных потоков в двусветных пространствах атриумов, холлов, повышенных частях жилых комнат.

Использование принципа солнечной трубы, положенного в основу всех этих решений, является причиной обилия в домах в США двухсветных пространств, верхних окон, фонарей верхнего света.

Одним из способов пассивного охлаждения дома является вентиляция прохладным ночным воздухом. Однако этот способ эффективен лишь в тех случаях, когда температура наружного воздуха в ночное время не превышает 18°C.

Вентиляция может быть естественной, когда она осуществляется при открывании окон и дверей, или механической, т.е. с применением вентиляторов.

Вентиляция ночным прохладным воздухом охлаждает всю тепловую массу дома, т.е. создает запас прохлады на следующий день.

Эффективность этого способа возрастает в случае применения галечного аккумулятора, твердые частицы в котором охлаждаются при пропускании прохладного воздуха ночью, а днем охлаждают наружный воздух. Воздух, поступающий в дом, можно пропускать по проложенному в земле каналу, при этом он охлаждается.

Оригинальное архитектурное решение пассивной системы теплохладоснабжения было применено в доме Д. Балкомба (Санта-фе, Нью-Мексико).

Летом наружный воздух движется вследствие естественной тяги, охлаждаясь перед поступлением в дом при прохождении подземного канала и нагреваясь при отводе теплоты от внутренних поверхностей дома.

Удаление нагретого воздуха осуществляется из верхней точки дома через трубу с жалюзи с северной стороны.

Отопление дома обеспечивается с помощью пристроенной гелиотеплицы и масляных радиаторов. Движение воздуха в доме зимой и летом регулируется с помощью клапанов. 

Из общего количества воды на земле, составляющего около 2000 млн км3, примерно 25 млн км3 (1,25%) приходится на долю природного льда, в котором заключены наибольшие запасы пресной воды.

Естественный лед в криосфере земли (в зонах с температурой  ниже 0 град.) обычно присутствует временно или постоянно в виде снега, водоемного льда и льдомерзлотного грунта.

С точки зрения сокращения расходов электроэнергии и увеличения ресурса работы холодильного оборудования представляется эффективным использование естественного холода.

Климат России позволяет широко внедрять подобные технологии почти на всей территории страны.

Такой подход наиболее распространен в технологическом кондиционировании воздуха, молочной промышленности, при производстве макаронных изделий, соков, газированных напитков, вин, в химической промышленности и при производстве различных изделий из пластмасс.

Практически во всех случаях для охлаждения хладоносителя при помощи наружного воздуха используются оребренные воздушные теплообменники, так называемые сухие охладители. Современные технологии их изготовления позволяют обеспечить эффективное охлаждение при температурном напоре (разнице температур охлаждающего воздуха и жидкости, входящей в теплообменник) 5-7°C.

Исходя из этого, можно подсчитать время эффективного использования естественного холода для различных производств, расположенных в той или иной климатической зоне.

Для этого необходимо знать температуру хладоносителя, используемого в технологическом процессе, и среднегодовой график изменения температур в данной местности.

Так как на производствах охлаждение в основном требуется круглый год и при этом температура хладоносителя, как правило, ниже температуры окружающего воздуха в теплый период года, то возможно применение только комбинированных схем, использующих и машинное, и естественное охлаждение.

Все испарительные охладители снабжены большими фильтрами. Во время цикла охлаждения эти фильтры поддерживаются влажными при помощи системы подачи на них воды.

Горячий наружный воздух втягивается мощным специальным вентилятором, проходит через фильтры и охлаждается в результате процесса испарения воды.

Чем горячее и суше наружный воздух, тем быстрее испаряется вода и тем прохладнее становится подаваемый в помещение воздух.

Такой способ компании-производители называют биоохлаждение. В связи с тем, что биоохлаждение использует 100% наружного воздуха, а не рециркулирует постоянно один и тот же затхлый, сухой воздух, оно намного полезнее для здоровья и не причиняет вреда чувствительным органам дыхания, зрения и коже.

Биоохлаждение очищает и полностью обновляет воздух в помещении через каждые несколько минут, обеспечивая постоянный приток свежего воздуха. 

• Ориентация и планировка здания существенно влияют на микроклимат внутри помещений. Дом может улавливать и удерживать солнечное тепло или обеспечивать прохладу, защиту от перегрева.

Для строительства в умеренном климате рекомендуется:

• ограничить размеры окон, выходящих на северную сторону;
• вытянуть здание в направлении восток - запад;
• посадить хвойные деревья с подветренной зимой стороны;
• лиственные деревья посадить так, чтобы они не закрывали зимнего солнца, но экранировали летом косые лучи заката;
• с южной стороны, над террасой устроить постоянный навес в виде продолжения карниза крыши - он будет защищать от жаркого летнего солнца;
• сделать южный фасад более открытым и расположить там самые оживленные помещения дома.

В сухом жарком климате:

- используют навесы и тенты с южной стороны для защиты окон;

- крыша должна быть вентилируемой и окрашенной в светлые тона;

- заглубление в землю и теплоизоляция позволят дольше сохранить прохладу;

- пруды, фонтаны, арыки позволят поддержать необходимую влажность;

- деревья с высокими кронами должны затенять крышу и направлять бриз;

- для усиления естественной вентиляции не остекляйте полностью фасады и оставьте окна и проемы во внутренних стенах; окна, получающие максимальное солнце, можно сделать зеркальными.

Строительные аспекты экономии энергии становятся все более актуальными, и о них следует подумать в самом начале строительства.

www.apimh.by/customers/.../history

www.nestor.minsk.by/.../90401.html

www.mensh.ru/passivnoe_solnechnoe_ohlazhdenie -

www.mir-klimata.com/.../08_climat_russia/

gardenweb.ru/zashchita-doma-ot-peregreva-i-okhlazhdeniya –

http://www.rugbc.org/natural-cooling-in-offices/

Копирайтер: Манжула Кирилл