Публикация в мартовском выпуске журнала «Энергосбережение»

О качестве и уровне оборудования Carrier написали в мартовском выпуске журнала «Энергосбережение». Это очень важно для нас, ведь мы каждый день стараемся делать жизнь людей комфортнее, и нам вдвойне приятно, что эти усилия дают плоды.

Спасибо коллегам из журнала за полноценный и качественный обзор наших последних достижений. Полную версию статьи можно почитать на сайте

КОМФОРТНЫЙ КЛИМАТ В ТЕАТРАХ КАК РЕЗУЛЬТАТ ЭВОЛЮЦИИ ТЕХНОЛОГИЙ КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ ВОЗДУХА

Роджер Чанг (Roger Chang), дипломированный инженер, член ASHRA:

Одной из главных проблем в зданиях театров старой постройки, являлось чрезмерное повышение температуры воздуха во время представлений. Наиболее душно и жарко было на верхних ярусах зрительного зала. Ситуацию осложняло то, что в театрах, полностью заполненных зрителями, не было окон. Кроме того, до появления электрического освещения использовались газовые горелки, часто поднимавшие температуру выше 38 °C. Проблему не могли решить на протяжении долгого времени. Только в начале XX века благодаря прорывным технологиям в области вентиляции и кондиционирования в театрах существенно улучшилось качество микроклимата.

Первые инновационные nехнологии

В летнее время большинство театров в Нью-Йорке из-за перегрева воздуха в помещениях вдвое сокращали число постановок. Одним из первых театров, где в процессе реновации в 1880 году Стилом Маккеем2 была создана система вентиляции, разработанная специально для обеспечения комфорта, стал театр Мэдисон-сквер (Madison Square Theater) с залом на 650 мест. Система состояла из воздухозаборной шахты высотой 15 м на крыше театра с вентилятором диаме тром 0,9 м. Наружный воздух сначала проходил через рукавный тканевый фильтр, который промывали раз в неделю, а затем продувался через камеру со льдом и распределялся через сеть воздуховодов меньшего размера, выведенных в зал. Система использовала вентиляторы, работающие от паровых двигателей, а льда за одно театральное представление уходило от двух до четырех тонн.

В 1885 году еще два театра на Бродвее внедрили системы, подобные разработанной Маккеем. Существенной проблемой данной системы была низкая надежность. Кроме того, отмечалось, что система охлаждения театра была очень шумной. Несмотря на то, что система позволяла понизить температуру в театре на несколько градусов ниже температуры наружного воздуха, она вызывала много критических отзывов.

Эксперименты продолжаются

Эксперименты с системами кондиционирования воздуха продолжались, но до начала XX века они рассматривались больше как увлечение, чем как необходимость. Рост популярности идеи оздоровления микроклимата начался в 1882 году, когда Томас Эдисон сделал электричество доступным для потребителей.

В 1895 году Чикагская телефонная компания разработала собственную вентиляционную систему, использующую «воздухопромыватель» (испарительный охладитель) еще до того, как свойства влажного воздуха стали хорошо изучены. Влияние влажности воздуха понималось еще недостаточно хорошо, а система с «воздухопромывателем» была ненадежна.

Альфред Вольф (Alfred Wolff, 1859–1909) открыл в 1880 году собственную практику как «инженер паровых котлов». В течение следующих десяти лет он получил известность как эксперт по системам отопления и вентиляции и работал с такими заказчиками, как собор Святого Патрика и Карнегихолл. Вольф понимал, что потенциал использования льда для охлаждения ограничен. К 1909 году все убедились в необходимости распространения систем кондиционирования для создания комфортной среды обитания.

Эволюция систем кондиционирования

В 1902 году Уиллис Хэвилэнд Кэрриер (Willis Haviland Carrier), выпускник Корнеллского университета 1901 года, создал опытно-конструкторский отдел в компании Buffalo Forge. Сначала У. Кэрриер спроектировал систему для издательской фирмы Sackett-Wilhems Lithographic and Publishing Company. В 1919 году Кэрриер опубликовал книгу «История искусственной погоды» (The Story of Manufactured Weather). Необходимость установки систем охлаждения воздуха для производственных предприятий повсеместно поддерживалась, однако идея кондиционирования воздуха для создания комфортной среды обитания еще не получила широкого распространения.

В 1896 был впервые представлен «Витаскоп» – изобретение Томаса Эдисона, что способствовало открытию большого количества миниатюрных кинотеатров. К 1908 году в США насчитывалось порядка 8 000 театров, которые посещали миллионы зрителей. Такой успех потребовал решения проблемы душных помещений, не имеющих окон, и обеспечения вентиляции переполненных залов. Так, сеть кинотеатров «Paramount Pictures» стала использовать два основных вида вентиляции без механического охлаждения:

• Вытяжная система. Вентиляторы использовались для отвода воздуха из помещения, по максимуму задействуя компенсацию притока наружным воздухом. В таких кинотеатрах часто приходилось оставлять входные двери открытыми, что создавало неудобства для зрителей, сидящих на последних рядах. Специальные отверстия для приточного воздуха делались очень редко.
• Приточная система. В этом случае в помещение активно подавался наружный воздух, но вытяжные вентиляторы отсутствовали. Идея заключалась в том, что давления подаваемого воздуха будет достаточно для вытеснения теплого спертого воздуха. Основная проблема этих систем заключалась в подаче воздуха. Простая система подавала воздух внутрь кинотеатра посредством вентиляторов, также использовали вентиляторы, встроенные в пол. Обе системы вызывали дискомфорт из-за слишком сильного или, наоборот, недостаточного движения воздуха.

В итоге стало понятно, что сама по себе механическая система вентиляции не может обеспечить требуемый комфорт. Воздух нужно охлаждать. Однако возможность использования аммиачных охлаждающих установок вызывала сомнения. В 1912 году в кинотеатре Isis Theatre в Хьюстоне был установлен «воздухопромыватель», а несколько других кинотеатров продолжали использовать лед для охлаждения воды или непосредственно воздуха; результаты были противоречивыми.

В 1917 году кинотеатр New Empire Theater в Алабаме стал первым кинотеатром с кондиционированием воздуха: там установили 6-тонную (21 кВт) вертикальную закрытую холодильную установку одностороннего действия с ременным приводом.

Над созданием масштабной си стемы охлаждения, использующей в качестве хладагента углекислый газ вместо аммиака, работал Фредерик Виттенмайер (Frederick Wittenmeier), инженер компании Kroeschell Brothers Ice Machine Company. Систему Виттермайера установили в кинотеатре Central Park, где она стала достопримечательностью, привлекающей аудиторию. Температура в зале Central Park поддерживалась на уровне 26 °C, но это не позволило полностью избавиться от жалоб на дискомфорт, вызванный распределением воздуха на уровне пола.

Уиллис Кэрриер занялся проблемами кинотеатров. Когда открылся кинотеатр Central Park, он стал изучать успехи и недостатки ранее установленных систем. Вместе с командой он отметил необходимость развития систем распределения воздуха. Инженер Л. Л. Льюис (L. L. Lewis), работавший с У. Кэрриером, представил концепцию потолочного распределения приточного воздуха с использованием специально сконструированных конусных диффузоров (рис. 1). Примечательно, что проектировщики кинотеатров сначала были против таких систем из-за их неэстетичного внешнего вида. Однако со временем инженеры и проектировщики кинотеатров смогли совместно решить данную проблему, и потолочные системы подачи воздуха получили признание.

Преодоление препятствий

На пути повсеместного распространения кондиционирования воздуха для создания комфортной среды в кинотеатрах оставались два препятствия: стоимость и место для размещения. У. Кэрриер решил эту проблему, изобретя компрессор, использующий в качестве хладагента дихлорэтилен. Компрессор был представлен в 1922 году. Более усовершенствованная его версия была впоследствии установлена в кинотеатре Rivoli в 1925 году.

В течение следующих пяти лет У. Кэрриер оснастил системами охлаждения более 300 кинотеатров. Но бродвейские театры начали использовать кондиционирование воздуха, а не закрываться в летний период, только в 1927 году.

Довольно долгое время использовались и парокомпрессионные, и испарительные системы кондиционирования.

Более 50 лет эволюции кондиционирования, начиная с создания вентиляции в театре Мэдисон-сквер в 1880 году до установки системы кондиционирования воздуха в киноконцертном зале Radio City Music Hall в 1932 году, тесно связаны с предпринимательством, монументальными технологическими изменениями, постоянно развивающейся демографической ситуацией и образованием инженерно-технических сообществ, таких как ASHRAE. ASHRAE было создано в 1894 году и носило название «Американское общество инженеров по отоплению и вентиляции» (ASHVE). В 1954 году организация изменила свое название на «Американское общество инженеров по отоплению и кондиционированию воздуха» (ASHAE) – почти через 30 лет после наступления золотого века кондиционирования воздуха в кинотеатрах 1920-х годов.

Исследования и разработки научного сообщества

На всем пути развития индустрия кондиционирования испытывала потребность в поддержке научно-исследовательского сообщества в проектировании. Организаторы развлекательных шоу были связаны теми же требованиями вентиляции, что и школы, но кинотеатры стали использовать системы кондиционирования воздуха раньше, чем все остальные. Требование обеспечить подачу наружного воздуха в объеме 14 л/с на человека представляло сложную за дачу для ранних систем кондиционирования воздуха. Данное требование изначально было предназначено для помещений с механической вентиляцией и было опубликовано ASHVE в 1914 году. Инженеры того времени осознали необходимость частичной рециркуляции воздуха для снижения эксплуатационных и капитальных затрат до разумного уровня.

Одновременно с этим инженерное сообщество плотно занималось вопросом контроля влажности воздуха для температурного комфорта человека. При этом возникли сложности при согласовании того, как операторы хотели эксплуатировать системы, и того, что показывали исследования в области создания здорового микроклимата. У. Кэрриер отмечал, что, «независимо от потребностей рынка, искусство не сможет реализоваться в полной мере, пока не будут тщательно исследованы и поняты основные принципы его функционирования».

В начале XX века наблюдался рост напряженности между сторонниками механической вентиляции, приверженцами кондиционирования воздуха и поборниками естественной вентиляции. Экспериментальные данные поступали в основном из исследовательской лаборатории ASHVE. В 1922 году она опубликовала первые результаты работы, включая диаграмму параметров качественного микроклимата, представляющую собой график комбинаций температуры и влажности, при которых большинство людей будут испытывать тепловой комфорт.

Согласно данным за 4 июля 1919 года по кинотеатру Riviera – аналогу кинотеатра Central Park, – при температуре наружного воздуха 34 °C температура внутри была в пределах 23–26 °C, а относительная влажность 70 %. В то время комфорт описывался качественно, а не количественно. Виттенмайер был сторонником концепции адаптивного теплового комфорта, которую мы наблюдаем сегодня, когда температура внутри помещения устанавливается на 9 °C ниже, чем температура наружного воздуха. Виттенмайер, в отличие от У. Кэрриера, не учитывал относительную влажность и считал, что значение 75 % приемлемо. Он отмечал, что, хотя воздух и можно охладить до 10 °C, а затем нагреть обратно, это требует дополнительного оборудования и эксплуатационных расходов. Опыт У. Кэрриера с контролем влажности в промышленной среде принес ценное понимание того, что прецизионное управление внутренней средой является важным.

В 1919 году в компанию Carrier Engineering Corporation (CEC) поступил запрос на поиск экономичного решения проблемы с «липкой и холод- ной» средой, создаваемой системой Виттенмайера. Основной сложностью стало «чикагское» требование к вентиляции в объеме 12 л/с на человека, что было ниже 14 л/с на человека, предусмотренных в Нью-Йорке, но все еще значительно выше действующего сегодня требования 2 л/с на человека или 0,31 л/с/м 2 . Сохранялось и напряжение между сторонниками только механической вентиляции и приверженцами кондиционирования воздуха. В CEC рассматривали три варианта.

• Вариант 1. Повторный нагрев охлаж­денной воды после испарительного охладителя. Эта схема, распространенная в то время в промышленных системах, была слишком дорогой для обеспечения комфортного микроклимата.
• Вариант 2. Снижение расхода воздуха до 5–7 л/с на человека при 100 %-ной доле наружного воздуха для большего соответствия повышению температуры, вызванному теплопоступлениями от людей. Для этого потребовалось бы отступление от требований Департамента здраво­охранения Чикаго.
• Вариант 3. Подача 12 л/с на человека, но смешанная, где 50 % воздуха поступает после рециркуляции. Технически это не соответствовало стандартам Чикаго (12 л/с наружного воздуха).

Вопрос взаимосвязи здоровья человека и вентиляции активно обсуждался в конце 1910-х и на протяжении 1920-х годов. Исследования возглавили лаборатория ASHVE и Гарвардская школа общественного здоровья (Harvard School of Public Health). На ежегодном собрании ASHVE в 1923 году члены организации проголосовали за исключение термина «свежий воздух» из предлагаемого организацией вентиляционного стандарта, отметив, что он неточен и предполагает, что приемлемыми являются только системы подачи воздуха без рециркуляции.

Команда У. Кэрриера активно занималась вопросом обеспечения эффективного управления влажностью и разработала то, что мы сегодня называем байпасной системой обратного воздуха (рис. 2). Ранняя версия этой системы предусматривала, что 75 % рециркуляционного воздуха будет обходить испарительный охладитель, а остальные 25 % наружного воздуха пройдут через него.

В 1921 году Метрополитен-театр в Лос-Анджелесе стал первым, применившим байпасную схему. Это позволило поддерживать внутреннюю температуру воздуха на уровне 26–27 °C при относительной влажности 45–55 %. В Метрополитен-театре также была реализована потолочная система распределения воздуха, хотя в то время все еще считалось, что концепция подачи воздуха «снизу – вверх» более выгодна, учитывая естественные восходящие потоки воздуха, вызванные теплом человеческого тела; эта концепция возродится спустя много лет в виде вытесняющей вентиляции.

Возрождение старых кинотеатров для будущих поколений

Перенесемся во вторую половину ХХ века, когда переселение населения городов в пригороды по всей Америке привело к тому, что многие кинотеатры пришли в упадок или были заброшены.

Плейхаус-сквер (Playhouse Square) в Кливленде (рис. 3) – второй крупнейший театральный район в Соединенных Штатах, стал примером комплекса из 5 театров, построенных в 1920-х годах, которые были реконструированы. Все они были восстановлены, став ключевым элементом возрождения центра Кливленда. Вместо максимизации количества мест планировка театров была изменена в сторону их сокращения при увеличении числа вариантов их расположения. Материалы отделки, системы ОВК, освещение и технологические системы способствуют повышению качества внутреннего воздуха, снижению энергопотребления, повышению энергоэффективности, а также обеспечивают гибкость, позволяющую показывать самые разные постановки.

Реконструкция театров Allen и Hanna поддерживает существенное усовершенствование систем ОВК закулисного пространства при повышении финансовой устойчивости за счет снижения потребления энергоресурсов, более высоких регулярных доходов и роста надежности всего объекта.

Реставрация старых театров

Многие театры, построенные в начале прошлого века, за последних 20 лет были отреставрированы. Например, Центр исполнительских искусств Ольстера (Ulster Performing Arts Center) (рис. 4) в 1926 году был изначально построен как бродвейский театр. Он внесен в Национальный реестр исторических мест США.

Работы по реставрации, помимо прочего, предусматривали «обратное проектирование», так как подробные чертежи систем ОВК, трубопроводных систем и электрических схем были утеряны. Методика реконструкции предусматривала модернизацию существующих воздуховодов с сохранением их расположения для минимизации повреждений исторической лепнины. Старая приточно-вытяжная установка была заменена на блочную установку, а местная приточно-вытяжная установка – на отдельную установку для обработки наружного воздуха для кондиционирования существующего исторического холла.

Одна из основных решенных проблем – надежное охлаждение в летнее время, позволяющее использовать объект круглый год.

Первоначальная система конди­цио­нирования состояла из отдельного компрессора внутри здания, наружного охладителя, змеевика непосредственного испарения приточно-вытяжной установки и проложенных по месту трубок для хладагента. Внутренний компрессор издавал сильный шум, проникающий в зрительный зал, что ограничивало возможность его использования непосредственно во время выступления.

Новая система позволяет выполнять требования по шуму NC-20 при одновременном соблюдении требований стандарта ASHRAE 90.1–2013 по энергоэффективности и стандарта ASHRAE 62.1–2013 по вентиляции.

Новая BACnet-совместимая система автоматизации здания позволяет персоналу оперативно управлять оборудованием. До установки этой системы операторам приходилось вручную запускать, останавливать и регулировать оборудование по месту его установки. Теперь объект может работать круглый год, внося свой вклад в непрерывный экономический рост региона.

Заключение

Подводя итоги, можем утверждать, что развитие театральных объектов и киноиндустрии способствовало изучению и внедрению передовых систем кондиционирования воздуха и разработке требований ASHRAE по кондиционированию воздуха общественных мест. Без развития кинематографа исследования не получили бы такого стимула и могли пойти другим путем. Сегодня мы пользуемся результатами кропотливого труда многочисленных специалистов, работавших в области распределения воздуха, охлаждения, психометрии, систем управления, теп­лового комфорта и вентиляции, которые способствовали развитию кинотеатров на всей территории Соединенных Штатов.

Статья публикуется с разрешения редакции ASHRAE Journal. Перевод выполнен А. В. Нестеруком. Оригинал статьи «The Golden Age of Cooling. Historic Theaters and Their Impact on Air Conditioning Today» опубликован в ASHRAE Journal, ноябрь 2019 г. ASHRAE не несет ответственность за точность перевода. Для того чтобы приобрести издание на английском языке, обратитесь в ASHRAE: 1791 Tullie Circle, NE, Atlanta, GA 30329–2305 USA, www.ashrae.org