Рубежи кондиционирования воздуха
На превращение американских зданий из солнечных печей в большие электрические холодильники идет примерно 16% электроэнергии. Многие считают США самой холодной страной в мире в лет-нее время — внутри помещений. Что еще хуже, в жаркий летний полдень на кондиционирование, составляющее около 43% пиковой нагрузки, работают более 200 гигантских (в тысячи мегаватт) электростанций, каждая из которых обходится в несколько миллиардов долларов.
Только в 1982 г. жители и компании города Хьюстона (Техас) заплатили 3310 миллионов долларов за «холодный воздух», что больше валового национального продукта 42 африканских стран. Подобная практика распространяется, что очень тревожно, на Восточную Азию, где потребление населением (которое быстро забывает о традиционных методах охлаждения) энергии на кондиционирование воздуха добавляет от 25 тысяч до 50 тысяч МВт пиковой нагрузки в год. Это потребует капиталовложений, крайне необходимых для решения других задач развития азиатского региона.
Так было не всегда. На протяжении по крайней мере восьми тысячелетий люди искусно устраивали свое жилище таким образом, чтобы избежать нежелательного тепла. От Турции до Туниса, от Кипра до Мальты, от Алжира до страны зулусов сложные системы пассивного охлаждения позволяли достигать комфорта, который сегодня «современные» здания в этих же районах едва ли могут обеспечить. Например, в XI—XII вв. в безоконных жилищах индейцев пуэбло на американском юго-западе поддерживалась температура, колебания которой были в 4 раза меньше колебаний температуры на открытом воздухе. На северном побережье Австралии в традиционных тропических домах поддерживается температура на 19°С ниже, чем снаружи. То же можно сказать о классических персидских и греческих домах. Систему пассивного кондиционирования воздуха имел целый римский город. Арабские шатры из козлиной шерсти являются чудом пассивного охлаждения.
Сегодня наука и техника располагают еще большими возможностями. Энергия на охлаждение помещений уменьшается почти в 100 раз только благодаря систематическому применению лучших современных методов (Хьютон и др., 1993).
Прохлада — это отсутствие жары
Первый шаг — не допустить жару в здание. Через суперокна в помещение проникает дневной свет, лишенный ослепительного блеска, и при этом почти полностью отсекается тепло. Дневное освещение и осветительные приборы улучшенной конструкции снижают необходимость охлаждения по меньшей мере в 10 раз. Тут же цель преследует эффективная оргтехника. В результате «тепловой вклад» осветительных приборов и офисного оборудования оказывается в 3 раза меньшим, чем то тепло, которое выделяет организм человека. Последнее уменьшить невозможно, разве что если попытаться снизить стресс и сократить лихорадочную деятельность. Не следует сбрасывать со счетов и усовершенствование холодильников, торговых автоматов, устройств для охлаждения питьевой воды, кофеварок и т. д. Все они окупятся в течение трех — восьми лет, а замена окон практически сразу же.
В новом строительстве особое значение имеет и хорошая планировка. Построив дом нужной формы и сориентировав его в правильном направлении, можно сэкономить треть его энергии без каких-либо дополнительных затрат. Так, в одном административном здании ACT2 в Антиохии (Калифорния) общую энергетическую эффективность удалось повысить на 38% при затратах на шестую часть меньше того, что сэкономлено. Затенение, теплоотражающая отделка поверхности (вспомним побеленные стены домов в городах Средиземноморья) могут сочетаться с благоустройством участка, посадкой деревьев и созданием тени растительностью: одно большое дерево заменяет десятки комнатных кондиционеров. И в любом здании обычно помогают изоляция и уменьшение утечек воздуха.
Расширить оболочку комфорта
Ощущение комфорта зависит от того, как усердно человек работает, сколько тепла выходит сквозь его одежду, от радиационной температуры окружающих предметов, температуры, влажности и движения воздуха. Каждый из этих факторов определяет поиск возможностей для создания условий, в которых люди чувствуют себя удобно.
Например, потолочные вентиляторы способствуют поддержанию комфортных условий, офисные стулья с сетчатыми сиденьями (типа модели «Аэрон» Германа Миллера) вентилируют тело, уменьшая его разогрев примерно на 10—15% по сравнению с мягкими стульями. Суперокна в значительной степени снижают температуру солнечных лучей, попадающих на тело. Даже сняв галстук, можно сэкономить обществу 50 долларов, идущих на оборудование для кондиционирования воздуха и подвода энергии. Многие крупные американские корпорации уже смягчили свои прежние требования относительно официальной формы одежды.
В совокупности эти простые мероприятия могут уменьшить потребность в охлаждении на 20—30%. Нужно также учитывать, что нервная система человека реагирует на дискомфорт не сразу. Правительство канадской провинции Альберта использовало это обсто-тельство следующим образом: в больших зданиях система кондиционирования во второй половине дня не включалась. В этом не было нужды, поскольку к тому времени, когда помещение нагревалось, люди уже уходили домой. Продолжительность работы холодильного оборудования сокращалась в 4—6 раз, что экономило много энергии и денег, но на дискомфорт никто не жаловался.
Пассивное охлаждение
С нежелательным теплом, которое нельзя устранить, но и нельзя игнорировать, нужно бороться путем нормального функционирования самого здания, не применяя специального оборудования. Даже в середине августа в Майами установленный официальными норма-ми комфорт можно поддерживать лишь с помощью потолочных вентиляторов и бассейна на крыше, который накапливает тепло в течение дня, а затем излучает его обратно в ночное небо.
Некоторые весьма эффективные методы почти пассивны. Например, энергетическая группа в Дэвисе (Калифорния) разработала «белый капюшон» — мелкий пруд на крыше под слоем изоляции из белого пеноматериала. В течение дня тепло здания переносится в воду. Ночью небольшой насос разбрызгивает воду в воздух, так что она охлаждается — две трети путем излучения и только одна треть путем испарения. Холодная вода стекает затем обратно тонкими струйками через трещины между изолирующими панелями и остается прохладной под ними. Электропитание насоса составляет лишь несколько процентов от сэкономленной энергии, идущей на охлаждение. Дополнительные капитальные затраты равны нулю, отчасти потому, что оболочка крыши служит в несколько раз дольше, будучи защищенной сверху слоем воды от озона, ультрафиолетового излучения, температурных колебаний, хождения по крыше и других неблагоприятных воздействий. Сочетание «белого капюшона» с использованием дневного света могло бы сэкономить более 90% всей энергии в многочисленных одно- и двухэтажных зданиях с плоской крышей в западной части США при повышенном комфорте и без каких-либо дополнительных строительных затрат.
Другой пример пассивных методов — ледяные бассейны, сохраняющие зимнюю прохладу на протяжении всего лета. Это может быть просто холодный талый снег под слоем соломы. Талая вода при температуре замерзания просто прокачивается насосом по зданию. Для этого нужны лишь несколько процентов энергии, которая иначе потребовалась бы для охлаждения здания. В местах, где есть свободные участки, данный метод может обеспечить экономию даже в такой климатической зоне, где мороз зимой стоит только неделю или две.
Альтернативное охлаждение
Остальную работу в любой части света могут обеспечить три основных альтернативных метода охлаждения. Абсорбционное охлаждение и осушение, связанные с проблемой влажности, достигаются не вращающимся валом, а теплом от сжигания топлива, электрическим генератором, технологическим процессом или коллектором солнечного излучения. Испарительное охлаждение может подавать прохладный влажный или сухой воздух в помещение при довольно низких температурах. Хорошо рассчитанное охлаждение, обеспечиваемое небольшим вентилятором, потребляет скромные количества воды и совсем мало энергии.
Особенно эффективно сочетание методов. Например, осушитель сначала высушивает и нагревает воздух (даже во влажном климате), затем испарительный охладитель прямого действия охлаждает воздух путем испарения в него воды, после чего в теплообменнике прохладный влажный воздух преобразуется в прохладный сухой. Если сухость воздуха достаточно высока, можно испарить немного больше воды, он будет еще более холодным, но не настолько влажным, чтобы вызвать дискомфорт. В другой комбинации отработанное тепло работающего на газе абсорбционного охладителя используется для осушителя, который делает процесс продуктивнее и эффективнее.
В первом эксперименте ACT2 был переоборудован участок научно-исследовательских отделений Тихоокеанской газовой и электрической компании в Сан-Рамоне (Калифорния). Площадь участка — 1900 квадратных метров, он оснащен эффективными лампами, усовершенствованной оргтехникой и окнами с несколько улучшенной изоляцией, устраняющей сквозняки. Все это сократило необходимость охлаждения наполовину. Затем система охлаждения была заменена испарительным охладителем косвенного действия, в дополнение к которому лишь на 5—10% времени включался очень маленький, специально сконструированный, весьма эффективный охлаждающий аппарат. Коэффициент полезного действия конструкции, вероятно, поставил мировой рекорд: только 0,14 кВт/т, или 25 единиц охлаждения, даваемых за каждую единицу потребленного электричества. Австралийский инженер, сконструировавший систему, уверен, что в следующий раз он сделает ее еще лучше. Данные по текущему контролю пока не поступали, но комфорт стал намного ощутимее. Переход от первоначально установленных на крыше блоков с расходом 2,0 кВт/т к 0,14 кВт/т сократил потребление энергии на единицу охлаждения на 93%. Поскольку необходимый объем охлаждения также был уменьшен вдвое, общее сокращение идущей на охлаждение энергии, предназначенной для здания с поэтическим названием «Закат Солнца», достигает 97%. По мере того, как старая оргтехника постепенно будет заменяться более эффективным оборудованием, нынешнее двукратное сокращение охлаждающих нагрузок составит две трети. Это увеличит сбережение энергии на охлаждение с 97 до 98% — в климатической зоне, где столбик термометра поднимается до 38°С.