Охолодження будівлі, яка майже не потребує охолодження

Українські Карпати — край опалення. На Теплій Горі, в еко-спільноті, де ми проєктуємо Unity Hub, кліматична математика безжальна: близько 4 180 градусо-діб опалення на рік проти 48 градусо-діб охолодження. Співвідношення 87 до 1. Абсолютний зафіксований максимум для цієї місцевості — 32,1 градуса, розрахункова літня температура — близько тридцяти, а взимку буває мінус двадцять, і мороз тримається тижнями.

Будь-який інженер, побачивши ці цифри, відклав би літній комфорт у «другорядні деталі». Так зробили й ми — поки не запустили перший розрахунок перегріву й не отримали розрахункове охолоджувальне навантаження майже сорок кіловат.

Для масштабу: пікове опалювальне навантаження цієї ж будівлі при мінус двадцяти — близько десяти кіловат. Виходило, що будівля, яку ми проєктуємо для гір, потребує вчетверо більше охолодження, ніж опалення, — у кліматі, де опалення потрібно у 87 разів більше, ніж охолодження.

Ця стаття про те, звідки взялися ті сорок кіловат і чому в підсумковій системі охолодження немає ані чилера, ані кондиціонерів, ані, власне, майже жодної нової техніки.

Звідки беруться сорок кіловат

Unity Hub — триповерхова громадська будівля, увінчана геодезичним куполом, і купол засклений щедро. Лише над залою для йоги — близько 45 квадратних метрів скла, включно з шестикутним апексним ліхтарем: 26 квадратних метрів майже горизонтального скління. Додайте вісімнадцять мансардних вікон і двадцять одне фасадне по всій будівлі — і матимете близько ста квадратних метрів скла, значна частина якого нахилена до літнього неба.

Коли ми змоделювали спекотний ясний день із повноцінною подією в будівлі, навантаження розклалося так: близько тридцяти одного кіловата сонячних надходжень крізь скло, близько семи кіловат від людей (зібрання сорока теплих тіл — серйозне джерело тепла) і приблизно півтора кіловата крізь огородження та вентиляцію. Стіни й дах будівлі, близької до пасивного стандарту, влітку майже не грають ролі: утеплення, яке тримає тепло всередині, так само не пускає його знадвору. Уся проблема — прозора.

Це був перший корисний переворот у голові. Unity Hub не має проблеми охолодження. Він має проблему впуску сонця, а охолодження — лише симптом.

Ролети — це інфраструктура

Якщо дев'яносто відсотків розрахункового навантаження приходить сонцем крізь скло, найдешевший кіловат — той, що так і не потрапив усередину. І затінення мусить стояти ззовні скла: внутрішня штора поглинає випромінювання, яке вже пройшло вікно, і віддає тепло в кімнату, а зовнішня відкидає його ще до скла.

Тож кожне з вісімнадцяти мансардних і двадцяти одного фасадного вікна отримує зовнішню електричну ролету, під'єднану до автоматики будівлі. Вони закриваються за сонцем, а не за людською дисципліною: коли опромінення на певній орієнтації в теплий день перевищує поріг, відповідні ролети опускаються незалежно від того, чи є хтось у будівлі.

Із зовнішнім затіненням змодельовані сонячні надходження падають майже на дев'яносто відсотків: із тридцяти одного кіловата до менш ніж чотирьох. Розрахунковий день опускається з сорока кіловат до приблизно дванадцяти, і більшість решти — це люди. У звичайний літній день без подій будівлі потрібно близько семи. Ролети роблять більше, ніж будь-яка машина в проєкті, тому ми перестали називати їх аксесуаром і перенесли в бюджет інженерних систем. Це перший і найбільший ступінь системи охолодження.

Одна поверхня цій логіці не піддалася: шестикутний апексний ліхтар на вершині купола. Ролети на нього не поставиш. Натомість він отримує сонцезахисне скління — пакет, який пропускає близько тридцяти відсотків сонячного тепла, і це обмежує його піковий внесок до рівня, який решта системи поглинає. Якщо практика покаже, що зала для йоги в липневі пообіддя все одно перегрівається, внутрішня штора на цей єдиний ліхтар — дешеве доопрацювання.

Літом править точка роси

Наше опалення — променеве: тепла вода в контурах, відфрезерованих у CLT-підлогах, плюс один опалюваний стіновий шар на другому поверсі. Очевидна літня ідея — пустити тими ж контурами холодну воду. Ми саме так і планували («охолодження підлогами, де можливо»), і ця ідея протрималася в концепції тижнями.

Потім ми уважно подивилися на вологість. Карпатське літо вологе, і розрахункова літня точка роси на ділянці — 19,4 градуса. Будь-яка поверхня, холодніша за неї, вкривається конденсатом. Отже, променева поверхня ніколи не може опускатися нижче приблизно дев'ятнадцяти-двадцяти градусів, а фізика дозволяє підлозі такої температури поглинати лише десять-п'ятнадцять ватів із квадратного метра. По всьому першому поверху це щонайбільше півтора-два кіловати — маргінальний внесок проти дванадцятикіловатного піка дня з подією.

Був і другий аргумент, м'якший, але реальний. Зала на третьому поверсі використовується для йоги — босоніж, на підлозі. Охолоджена підлога під голою шкірою — поганий комфорт, навіть коли повітря тепле. А у високому куполі найхолодніше повітря, що збирається біля підлоги, опиняється рівно не там, де потрібно.

Тож ми переглянули власне рішення. Підлоги тепер лише опалювальні, а їхні контури оптимізовані на максимальну тепловіддачу замість компромісної подвійної служби. Стіновий контур другого поверху зберігає обмежену охолоджувальну роль — вище точки роси, під наглядом двох датчиків точки роси, які автоматично закривають його клапан, щойно запас зникає.

Точка роси навчила нас і головного: у цьому кліматі визначальне літнє навантаження — не температура, а волога. Сорок людей у залі видихають літри води. Променеві поверхні не приберуть із повітря жодного грама. Те, що охолоджує цю будівлю, мусить її ще й сушити.

Що насправді охолоджує будівлю

Відповідь уже стояла в техприміщенні. Тепловий насос, обраний для опалення, — дванадцятикіловатний агрегат «повітря-вода» на R290 (пропан, природний холодоагент) — реверсивний. Улітку він робить холодну воду замість теплої, майже без додаткових витрат, на електриці, яку фотоелектричний масив саме в ці місяці виробляє з глибоким надлишком.

Холодна вода йде в повітря, а не в підлоги. Фанкойли знімають пік подій і тим самим проходом вирішують проблему вологи: теплообмінник, що працює нижче точки роси приміщення, конденсує воду з повітря, і конденсат стікає в каналізацію. Рядок, який в інших проєктах називається «осушувачі», у нашому просто відсутній. Сушіння — побічний продукт охолодження, зробленого в правильному середовищі.

Систему довершують два пасивні ходи. Стельові вентилятори у високих просторах додають швидкості повітрю біля шкіри — це дає два-три градуси відчутного комфорту за десятки ватів. А вночі гори повертають борг: навіть після тридцятиградусного дня карпатська ніч опускається до п'ятнадцяти. Мансардні вікна автоматично відчиняються після заходу сонця, і денне тепло виходить тим самим шляхом, яким зайшло. До ранку масив CLT продутий прохолодою, і будівля починає день із тепловою форою.

Одна машина для купола

Кожен складний випадок цього проєкту сходиться в одній кімнаті: зала для йоги, просто під сорока п'ятьма квадратними метрами купольного скління. У неї найбільша сонячна експозиція влітку і найбільші тепловтрати взимку, а площі її підлоги не вистачає, щоб віддати все потрібне кімнаті тепло в найхолодніші ночі за нашої низької температури подачі.

Відповідь — один консольний фанкойл, який працює в обидва сезони. Улітку він — охолодження й осушення кімнати. Узимку він додає близько кіловата швидкого догріву понад те, що віддає підлога, і закриває дефіцит розрахунково-холодних ночей, не піднімаючи температуру подачі для всієї будівлі. Один прилад, дві проблеми — і єдина видима одиниця охолоджувального обладнання в будівлі.

Чого ми не купили

Повний літній кошторис триповерхової громадської будівлі, зрештою: зовнішні ролети (які заразом працюють на безпеку й затемнення), сонцезахисне скло на одному ліхтарі, два датчики точки роси, стельові вентилятори, кілька фанкойлів, приводи на мансардних вікнах і логіка керування. Ані чилера. Ані спліт-блоків, вкручених у дерев'яний фасад. Ані осушувачів. Єдина велика машина системи куплена для зими й підробляє в липні.

Тут є ширший висновок, який ми перевідкриваємо в кожній підсистемі. У настільки асиметричному кліматі охолодження — це не машина, яку купуєш. Це набір дисциплін: відбити сонце до скла, поважати точку роси, використати холод, який ніч віддає безплатно, і сушити повітря обладнанням, яке вже маєш. Сорокакіловатний монстр із першого розрахунку був реальним, але він ніколи не був причиною купувати сорокакіловатну машину. Він був причиною проєктувати краще.

Детальне проєктування триває, і літні цифри ще зсунуться, коли з'явиться фінальна відомість вікон. Якщо відповідь зміниться, ми напишемо й про це.

Це дослідження — частина проєктування енергосистеми Unity Hub на Теплій Горі. Пов'язані: Що змушувало нас змінювати думку про опалення карпатської еко-спільноти, Проєктування зимової фотовольтаїки для карпатської еко-спільноти.