Пофасадное регулирование системы отопления

Обновлено: 05.05.2024

Тепловые насосы и реконструкция зданий

В большинстве экономически развитых стран применение теплонасосных установок (ТНУ) является стандартным, инженерно грамотным и экономически обоснованным решением. Для России, несмотря на имеющийся научно-технический потенциал, это единичные случаи, реализованные в соответствии с региональными программами энергосбережения или благодаря инициативе инвестора.

Владелец объекта (служба эксплуатации) заинтересован в энергосбережении, надежности и комфорте. Минимальный комфорт в настоящее время достаточно просто обеспечивается локальными системами кондиционирования помещений с относительно скромными затратами на реконструкцию, что иллюстрируется огромным количеством внешних блоков сплит-систем на фасадах зданий. Но данное решение не является лучшим и единственным. Достаточно отметить повышенный расход электроэнергии, необходимость обслуживания (включая замену таких систем в ближайшие годы) и административные запреты на размещение внешних блоков на фасадах здания.

Модернизация климатических систем
Рассмотрим конкретную ситуацию на примере офисного здания Московского завода тепловой автоматики (МЗТА). Здание включает около ста помещений общей площадью свыше 5000 м2. Первые годы установки и эксплуатации двух десятков сплит-систем для отдельных помещений показали, что дальнейшее их распространение на все здание неприемлемо по указанным выше причинам, а также из-за невозможности обеспечения дополнительной электрической нагрузки (свыше 100 кВт). Проработка возможных вариантов с учетом специфики производства и заинтересованности в улучшении условий работы привели к решению о применении ТНУ.

Одновременно выполнялись следующие работы:
1. Создание демонстрационного зала МЗТА площадью 300 м2, оснащенного системой кондиционирования, которая включает в себя теплонасосную установку ЕМ072 для охлаждения/нагрева и рекуператор на линии подачи наружного воздуха.
2. Реконструкция теплового пункта, оборудование которого выработало ресурс и требовало замены. При реконструкции реализованы уже ставшие стандартными решения: применение пластинчатых теплообменников, насосов с частотным регулированием, закрытых мембранных расширительных баков для системы отопления, шаровой и дисковой запорной арматуры, полномасштабное автоматическое регулирование и диспетчеризация на базе комплекса «КОНТАР». Теплонасосная установка ЕМ072 для выставочного зала «водавоздух» конструируется в помещении теплового пункта и подключена по воде — к системам холодного и горячего водоснабжения.

Работа ТНУ в режиме охлаждения обеспечивается без внешних блоков — одновременной передачей тепла в систему горячего водоснабжения. За счет отводимого тепла выполняется предварительный подогрев водопроводной воды до ее подачи в первую ступень блока горячего водоснабжения теплового пункта.

При расходе холодной воды на нужды ГВС 3–4 м3/ч (расчетный средний расход воды в МЗТА) и ее подогреве на 5 °C обеспечивается отвод тепла около 20 кВт, что соответствует расчетной производительности ТНУ. Поскольку днем фактическое потребление воды на ГВС выше среднего, возможна работа установки без необходимости сброса тепла в окружающую среду и применения внешних устройств (градирен). Для обеспечения работы при сниженном водоразборе на ГВС в схеме предусмотрены циркуляция воды по замкнутому контуру, включающему бак-аккумулятор, а при необходимости — возможность передачи подогретой воды в систему холодного водоснабжения.

Экономические характеристики работы ТНУ при средних показателях: производительность по холоду 15 кВт; EER = 3; потребляемая электрическая мощность — 5 кВт; передача тепла в систему ГВС — 20 кВт. В расчете за год (1000 ч работы): холодопроизводительность — 15 000 кВт⋅ч; передача тепла в систему ГВС — 20 000 кВт⋅ч (17,2 Гкал); расход электроэнергии — 5000 кВт⋅ч.При тарифе на тепло 400 руб/Гкал = 0,344 руб/кВт⋅ч получаем, что стоимость сэкономленного на ГВС тепла составляет 6880 руб., а затраченной электроэнергии — 6500 руб. при тарифе 1,3 руб/кВт⋅ч или 3250 руб. — при плате за электроэнергию по двухставочному тарифу. Эти цифры показывают возможный эффект при распространении данного решения с одной установки на все здание.

Таким образом, ТНУ обеспечивает кондиционирование воздуха летом не только без сооружения градирен, сопутствующих потерь воды и расхода электроэнергии, но и снижает затраты на горячее водоснабжение. В переходный период установка обеспечивает воздушное отопление, в т.ч. в период перерывов работы теплосети, в этом случае источником низкопотенциального тепла является вода, идущая на холодное водоснабжение. Ее температура при этом снижается на 2–5 °С. Эксплуатационная составляющая стоимости тепла ТНУ составляет (при СОР = 4 в зависимости от тарифа на электроэнергию) от 140 до 280 руб/Гкал. Эти цифры показывают возможный эффект при распространении данного решения на все здание. Отметим, что для примененной установки ЕМ072 большую часть времени показатели будут выше принятых в расчете EER = 3 и COP = 4. Следующие этапы реконструкции климатической системы здания предусматривают мероприятия по энергосбережению: программное снижение температуры в отапливаемых помещениях в ночной период и нерабочие дни; пофасадное регулирование отопления для административного корпуса.

Нерабочее время
Первое решение теоретически наиболее эффективно — снижение температуры в помещениях на 5 °C обеспечивает уменьшение теплопотерь примерно на 15–20 % и просто реализуется системой автоматизации. Время работы на пониженных параметрах (ночное время и выходные) составляет свыше половины времени отопительного периода. Однако, с учетом реальных условий работы комплекса (сменная работа, особые требования отдельных потребителей) возможности энергосбережения за счет программного снижения подачи тепла ограничены. Так, возможное снижение температуры в отапливаемых помещениях в ночной период и нерабочие дни не может быть реализовано в полном объеме для существующей системы отопления. Ряд потребителей (около 5 %) требуют расчетного отопления постоянно и не допускают снижения температуры. Использование для них локальных электронагревателей неприемлемо, т.к. резко снижается экономический эффект, безопасность, а также надежность.

Решение данного вопроса обеспечивается применением для данных потребителей ТНУ «вода–воздух», последние в данном случае выступают в роли «доводчика» для отдельных помещений. Подключение теплового насоса «вода–воздух» по воде в обратную линию системы отопления позволяет при плановом снижении температуры воды в отопительном контуре до уровня 30–40 °C использовать это тепло для поддержания температуры воздуха на комфортном уровне. Одновременно это позволяет снизить температуру в системе и соответственно возвращаемой на ТЭЦ воды. Летом эти же установки обеспечивают охлаждение воздуха.

Пофасадное регулирование
Пофасадное регулирование отопления может принести ощутимый эффект экономии тепла (по проведенным в 1980–1990е годы экспериментам — на уровне 20 % от годового объема теплопотребления). Кроме того, пофасадное регулирование в период солнечной активности исключает «регулирование открытыми окнами» и снижает вероятность простудных заболеваний, одновременно обеспечивает комфортные условия и для помещений с наветренной стороны здания.

Одним из вариантов предусматривается разделение системы отопления по фасадам, вывод трубопроводов в ЦТП и организация двух контуров циркуляции и регулирования теплоносителя. Это требует нового оборудования и значительных работ по прокладке в существующих строительных конструкциях дополнительных трубопроводов. Предлагается и менее металло и трудоемкое решение — разделение системы отопления в двух узлах, где смешение реализовывается с помощью блока «контроллер + насос с частотным регулированием». При работе блока для солнечного фасада выполняется подмес теплоносителя из обратной линии в подающую для поддержания температуры на требуемом уровне. При этом снижается общий расход воды в системе отопления (на ЦТП реализовано частотное регулирование насосов отопления) и подача тепла в систему при стандартном температурном графике.

Максимальный эффект от пофасадного регулирования обеспечивается при быстром и адекватном реагировании системы на изменение погодных условий, а именно — понижении температуры воды на подаче в систему отопления в соответствии с изменением нагрузки. Так, для жилых зданий предлагалось осуществлять регулирование по температуре воздуха в контрольных помещениях или удаляемого из помещений системой вентиляции. Возможности автоматических комплексов позволяют реализовать как приведенные выше, так и любые другие алгоритмы регулирования (по температуре воды в обратной линии системы отопления данных помещений, по скорректированной температуре наружного воздуха и пр.), что и будет реализовано при опытной эксплуатации.

Более полно эффект пофасадного регулирования обеспечивается системой с тепловыми насосами «водавоздух», работающими на помещения или группы помещений по фасадам здания и объединенными по водяному контуру.

Температура воды в контуре поддерживается в пределах, оптимальных для работы ТНУ. В этом случае при охлаждении воздуха в помещениях на солнечной стороне удаляемое тепло переносится в водяной контур и используется в остальных помещениях, что сокращает потребность в тепле от внешнего источника. Реализация такой системы позволяет также обеспечивать воздушное отопление в помещениях независимо от нормативного начала или окончания отопительного периода. К достоинству таких систем можно также отнести меньшую расчетную потребность в электроэнергии летом за счет теплоаккумулирующих качеств водяного контура. При невозможности обеспечить полностью нагрузку кондиционирования за счет передачи тепла в систему ГВС, расчетная мощность градирни также существенно меньше, чем аналогичного оборудования для традиционных систем. Блицинтервью
Вадим ШАБАНОВ, инженер по эксплуатации «Ирис Конгресс Отель»

Какие ограничения существуют для применения теплонасосных установок?

В.Ш.: Сегодня у ведущих мировых производителей существует достаточно широкий набор оборудования для формирования теплонасосной системы под конкретные нужды заказчика в любых климатических и технических условиях. Технические спецификации, габариты установок очень разнообразны, и сконфигурировать все под конкретный объект не составляет труда. Россия не застала тот период, когда тепловые насосы только появились, — технология давно отработана в мире и доказала свою эффективность. Некоторые ограничения могут накладывать экономические аспекты внедрения и эксплуатации тепловых насосов. Главное преимущество кольцевой теплонасосной системы в ее экономичности за счет утилизации тепла, уже произведенного в здании. Поэтому если температура внутри всего здания стабильна, все здание круглый год требует только обогрева или только охлаждения, то затраты на поддержание температуры в контуре «съедают» всю потенциальную экономию. В связи с этим тепловые насосы наиболее эффективны в климатических условиях, где достаточно длинные переходные периоды. К таким регионам относится, например, средняя полоса России. В регионах Крайнего Севера тепловые насосы будут работать, но без особой экономии. Геотермальные тепловые насосы лишены этих ограничений. Необходима только техническая и формальная возможность пробурить скважину или прокопать траншеи для укладки теплообменников.

Какие достоинства и недостатки присущи тепловым насосам?

В.Ш.: Говоря о тепловых насосах, обычно имеют в виду водяные установки. Достоинства заключаются прежде всего в рентабельности, удобстве монтажа и эксплуатации, а также комфортности создаваемого климата. Капитальные затраты для крупных кольцевых теплонасосных систем ниже на 13–15 процентов, чем для подобных систем «чиллер–фанкойл». Это связано с тем, что предельно упрощена система инженерных коммуникаций, так называемой инфраструктуры. Нет необходимости прокладывать большие теплоизолированные воздуховоды по всему зданию — тепло передается с помощью подготовленной воды по нетеплоизолированным трубам малого диаметра. Наличие именно водяного контура также обуславливает безопасность водяных тепловых насосов по сравнению, например, с VRV-системами, где в контуре циркулируют ядовитые хладагенты.

Другой важный момент — это ресурс тепловых насосов. При правильной эксплуатации ресурс современных тепловых насосов составляет 20–25 лет. Это проверено на опыте. Тепловые насосы в одной из гостиниц Москвы успешно работают уже 16 лет и до сих пор не требовали серьезного ремонта или замены. Главный плюс теплонасосных систем — экономичность. В случае правильной проектировки в условиях умеренного климата снижение затрат на отопление в сравнении с центральным теплоснабжением составляет не менее 50 процентов. Для геотермальных систем на выходе мы получаем четыре-шесть киловатт тепла на каждый киловатт затраченной электроэнергии. Ну и последнее преимущество — комфортный климат. Соответствие температуры, влажности и давления позволяет получить наиболее благоприятные условия для жизни и работы человека.

Из недостатков можно отметить прежде всего некоторую сложность проектирования. Необходимо учитывать все теплоисточники в здании, положение здания по сторонам света и многие другие условия. Второй недостаток — высокая стоимость самого теплового насоса. Установка инсталлируется в каждом помещении — это самая большая статья затрат.

Эффективна ли с экономической точки зрения массовая модернизация жилого фонда на основе теплонасосных систем?

В.Ш.: Сегодня это очень насущная проблема. Мы специально ей занимались и вот к какому выводу пришли. Тепловые насосы могут работать с источниками тепла, несущими относительно низкие температуры. Это позволяет использовать тепловые насосы на участках теплоцентрали с недостаточным потенциалом. К примеру, 70 градусов в теплоцентрали было бы достаточно для обогрева районов частной застройки. В этом случае можно продолжить дальнейшую эксплуатацию имеющихся теплосетей, без расширения и модернизации. Кроме того, тепловые насосы могут быть использованы для понижения температуры воды в обратной ветви теплоцентрали. Низкопотенциальное тепло «обратки» трудно использовать, оно обычно выбрасывается в атмосферу через градирни ТЭЦ. Тепловые насосы могли бы целесообразно его использовать, решая многие проблемы. К сожалению, экономически обоснованно это можно реализовать лишь только после снижения тарифов на низкопотенциальное тепло.

Пока внедрением тепловых насосов заинтересовались только строители жилья класса «бизнес» и «бизнес+». Сегодня в домах класса «бизнес» не устанавливают систему центрального кондиционирования, что ведет к удорожанию, и клиенты предпочитают использовать сплит-системы. Возьмем, к примеру, типичную новостройку среднего класса. Так, в течение одного года она обрастает десятками и сотнями внешних блоков сплит-систем. Это портит фасад, является экономически невыгодным, а порой и небезопасным. Предложения в этой сфере сводятся к тому, чтобы на стадии проектировки в доме закладывалась прокладка кольцевого контура для тепловых насосов, а пластиковые трубы терминировались бы в каждой квартире. Эта операция не требует больших затрат и не приводит к удорожанию квадратного метра. В дальнейшем, если новоселы желают иметь у себя в квартире центральное кондиционирование и воздушное отопление, они самостоятельно делают выбор и покупают (или арендуют) необходимое количество тепловых насосов. Эти насосы необходимо только подключить к уже проложенным коммуникациям, и система начинает работать. Такой подход может стать решением проблемы изуродованных сплит-системами фасадов.

Возможна ли такая модернизация с технической точки зрения? Существуют ли примеры «очаговой» модернизации жилого фонда на территории России?

В.Ш.: Установка тепловых насосов в домах старой постройки, конечно, возможна. Нет необходимости в прокладке больших воздуховодов или сложных инженерных коммуникаций. По дому ведется обычный трубопровод, а сами тепловые насосы ставятся в подоконном пространстве вместо радиатора либо монтируются над фальшпотолками или в других доступных местах. Однако подобные модернизации проводят в основном для коммерческой недвижимости — гостиниц и офисов. Например, если рассмотреть семь сталинских высоток, то эта технология является оптимальной для создания в них современных комфортных условий работы или жилья. Кольцевая система тепловых насосов несколько лет назад была установлена в комплексе «Палас Культуры» в Варшаве.

Исследование процесса отопления зданий с применением теплообменников и с возможностью фасадного автоматического регулирования Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

Аннотация научной статьи по строительству и архитектуре, автор научной работы — Потапенко А. Н., Костриков С. В., Потапенко Е. А.

Рассмотрены возможности повышения эффективности процессов отопления зданий с применением теплообменников и учетом фасадного регулирования для развития и расширения функциональных возможностей фасадного регулирования. Представлены математическая модель управления исследуемым процессом, результаты сравнения экспериментальных данных и численных расчетов, структура системы и алгоритм управления процессом отопления здания с учетом фасадного регулирования и автоматического контроля работоспособности системы отопления здания.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

The research of the process of heating the buildings using the heat exchangers with the possibility of facade automatic regulation

The article deals with the possibilities of increasing the efficiency of the process of heating the buildings using the heat exchangers taking into account the facade regulation, in order to develop and expand the functional possibilities of the facade regulation. We present the mathematical model of the control of the process, the comparison results of experimental data and numerical modeling, the structure of the system and the algorithm of control for the process of heating the building taking into account the facade regulation and automated functioning control for the building heating system.

Текст научной работы на тему «Исследование процесса отопления зданий с применением теплообменников и с возможностью фасадного автоматического регулирования»

АСУ, И 1НФОРМАЦ ИОННАЯ

А И ТЕХНО. (НЕРГЕТИК ргюи Г И ■ И

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ОТОПЛЕНИЯ ЗДАНИЙ С ПРИМЕНЕНИЕМ ТЕПЛООБМЕННИКОВ И С ВОЗМОЖНОСТЬЮ ФАСАДНОГО АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ

А.Н. ПОТАПЕНКО, С.В. КОСТРИКОВ, Е.А. ПОТАПЕНКО

Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова

Проблемы энергосбережения и снижения коммунальных расходов на фоне роста стоимости энергоносителей являются актуальными. Существенную долю в общем балансе коммунальных расходов занимает статья, связанная с потреблением тепловой энергии, основу которой составляют расходы на отопление зданий. Например, баланс потребляемого тепла в БГТУ им. В.Г. Шухова следующий: отопление - 60%, горячее водоснабжение - 33%, приточно-вентиляционные установки и тепловые завесы - 7% [1]. Учитывая эти особенности, актуальными являются не только задачи по реконструкции существующих систем теплоснабжения зданий, обладающих низкой эффективностью и высокой изношенностью, путем создания индивидуальных тепловых пунктов (ИТП) на основе систем автоматического учета и регулирования тепловой энергии, но и задачи по повышению эффективности современных систем автоматизации процесса отопления, их надежности и др.

В настоящее время широкое распространение получают системы теплоснабжения зданий при независимом присоединении к тепловым сетям [2]. Применение пластинчатых теплообменников улучшает работу всей системы теплоснабжения за счет исключения смешивания сред теплоносителей. При этом в системах централизованного теплоснабжения зданий в основном применяются автоматизированные ИТП на базе систем автоматического регулирования (САР) и учета тепловой энергии, автоматизированные ИТП с использованием термостатов на отопительных приборах и пофасадное авторегулирование.

Из представленных систем необходимо выделить в отдельный класс системы пофасадного регулирования, которые используются для устранения перепада температур, создания нормальных температурных условий для работы в помещениях как северного, так и южного фасадов здания, а также экономии

тепловой энергии до 15-20% [3], так как в осенне-весенний отопительный период с южной стороны в помещениях здания намного теплее по сравнению с другими помещениями со стороны противоположного фасада здания. Основная особенность этого класса систем заключается в том, что каждый фасад здания имеет независимую САР отопления. При пофасадном регулировании, так же как и в системах автоматизации ИТП, может использоваться регулирование по отклонению внутренней температуры в помещениях от заданной или по возмущению с учетом наружной температуры воздуха, а также возможно применение комбинированного регулирования.

Модернизация САР теплопотребления фасадов здания позволит повысить их эффективность, однако для этих целей необходимо обладать адекватными математическими моделями, позволяющими исследовать особенности управления процессом отопления зданий с возможностью применения теплообменников. Учитывая специфику протекающих в системах теплоснабжения зданий процессов, возможно применение для исследований этих нестационарных задач дифференциальных уравнений в частных производных, в том числе и уравнения теплопроводности с учетом вынужденного конвективного теплообмена в системе. В работе [4] приведены системы дифференциальных уравнений для каждого элемента системы теплоснабжения здания с учетом теплообменников и с условиями однозначности для получения единственности решения этих уравнений. При этом следует отметить, что определить аналитическое решение данных уравнений в общем виде практически невозможно, поэтому необходимо искать пути альтернативных решений.

Для разработки математической модели процесса отопления здания с учетом независимой схемы присоединения к тепловым сетям и с возможностью управления этим процессом в автоматизированном ИТП рассмотрим схему, показанную на рис. 1. В этой схеме теплоноситель из тепловых сетей с температурой Т1 и расходом в1 по подающему трубопроводу попадает в теплообменник (ТО), затем через регулирующий клапан К1 с температурой Т2 возвращается обратно в теплосеть. Теплоноситель с температурой Тсо поступает в ветви СО здания после циркуляции в ТО, а из них, через стояки с отопительными приборами, - в обратный трубопровод с температурой То. В системе отопления расход теплоносителя всо поддерживается постоянным с помощью циркуляционного насоса Н1. Изменение расхода С1 теплоносителя из тепловой сети через теплообменник возможно при воздействии исполнительного механизма М2 на регулирующий клапан К1 (рис. 1). При этом температура Тсо теплоносителя, подаваемого в систему отопления, также изменяется за счет изменения расхода С1 теплоносителя из тепловой сети через ТО.

Рис. 1. Схема системы отопления здания с применением теплообменника

На основе экспериментальных исследований динамических свойств системы отопления, при независимом присоединении их к тепловым сетям, для новых учебных корпусов Белгородского государственного университета (БелГУ) было установлено следующее (рис. 2):

Рис. 2. Типовые переходные процессы системы отопления при независимом присоединении отопления к наружным тепловым сетям

• существует большая инерционность системы отопления как объекта управления, причем длительность переходных процессов в системе отопления на порядок выше, чем в других элементах этой системы;

• при определенном расположении протяженного в плане здания относительно сторон света необходимо учитывать внешние возмущающие воздействия не только в виде изменения температуры наружного воздуха, но и влияние ветра и солнечной радиации, существенно влияющие на рабочий режим системы;

• теплообменник является нелинейным элементом, но в динамическом отношении, по сравнению с длительностью переходных процессов, протекающих в целом в системе отопления, его можно считать безинерционным звеном;

• изменение расхода теплоносителя в системе отопления Осо влияет на параметры функционирования системы.

Для получения математической модели и проведения исследований на ее основе необходимо получить зависимость температуры системы отопления здания в следующем виде:

Гсо = ^(О1,Осо,Гсо ,ГО, (1)

причем температура Го в обратном трубопроводе косвенно должна учитывать не только внешние, но внутренние возмущения в исследуемой системе.

Аналитическое решение системы нелинейных дифференциальных уравнений в частных производных, описывающее только динамику процессов в

теплообменнике, также получить весьма сложно [4, 5]. В связи с этим для решения поставленной задачи вводим следующие упрощения и допущения: пренебрегаем сопутствующими процессами и теплопередающей стенкой, а также влиянием теплоемкости корпуса и потерь тепла через него; считаем, что движение нагреваемого и греющего теплоносителя является одномерным; принимаем, что давление среды, температура пластин по периметру, теплоемкость, плотность и коэффициенты теплоотдачи являются постоянными. Также пренебрегаем рассмотрением переходных процессов в ТО, так как установлено, что длительность переходных процессов в системе отопления на порядок выше.

Для получения искомой зависимости в целом рассмотрим теплообмен между греющим и нагреваемым теплоносителями при движении их с постоянной скоростью (расходом) и с учетом допущения о постоянстве их физических свойств в процессе теплообмена. Тогда для греющего теплоносителя [6]

срО 1 йГ 1(х) = а 1 ■ (Г2 (х) - ^(х)) • П • йх , (2)

где Т1(х), Г2(х) - соответственно температура греющего и нагреваемого теплоносителя в сечении йх, °С; а1 - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2,0С); с, р -соответственно теплоемкость и плотность теплоносителя, Дж/(кг-°С) и кг/м3; О1 -расход греющего теплоносителя, м3/с; П - периметр пластины, м.

Аналогично для нагреваемого теплоносителя срОсойТ2(х) = а2 ■ (Г2(х) — Г1(х)) ■ П ■ йх,

i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

где Осо - расход нагреваемого теплоносителя, м3/с.

С учетом уравнений (2) и (3) получаем систему дифференциальных уравнений, которую можно представить в следующем виде:

= в 1 • (Г2(х) — Г1(х)); = в2 • (Г2(х) — Г1(х)),

где 01 и в2 - коэффициенты, определяемые из следующих выражений:

После решения системы обыкновенных дифференциальных уравнений первого порядка (4) получаем решение, которое представляет собой распределение температуры греющего Г^х) и нагреваемого Г2(х) теплоносителя вдоль теплопроводящей стенки в любой точке с координатой х, причем с учетом того, что Г1, Го - это, соответственно, температура теплоносителей на входах в теплообменник со стороны греющего и нагреваемого теплоносителя, а Ь -длина теплопроводящей стенки:

VI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2014

ОЦЕНКА ПОТЕНЦИАЛА ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ ПРИ ПОФАСАДНОМ РЕГУЛИ¬РОВАНИИ ОТПУСКА ТЕПЛОТЫ НА ОТОПЛЕНИЕ

Симонов К.С., Проскуряков А.Е., Грязных А.А., Рябцев О.А. Работа в формате PDF Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Энергосбережение – это реализация правовых, организационных, научных, производственных, технических и экономических мер, направленных на эффективное (рациональное) использование (и экономное расходование) топливно-энергетических ресурсов (ТЭР) и на вовлечение в хозяйственный оборот возобновляемых источников энергии [1].

Топливно-энергетические ресурсы (ТЭР) – это совокупность природных и производственных энергоносителей, запасенная энергия которых при существующем уровне развития техники и технологии, доступна для использования в хозяйственной деятельности [1].

Мероприятия по энергосбережению позволяют снизить издержки потребителей энергоресурсов. Существует перечень типовых энергосберегающих мероприятий [3]:

I. В системах освещения

1. Сокращение области применения ламп накаливания и замена их люминесцентными Переход на другой тип источника света с более высокой светоотдачей (до 55% от потребляемой ими электроэнергии).

2. Замена люминесцентных ламп на лампы того же типоразмера меньшей мощности: 18 Вт вместо 20, 36 Вт вместо 40, 65 Вт вместо 80 (до 5% от потребляемой ими электроэнергии).

3. Применение энергоэффективной пускорегулирующей аппаратуры (ПРА) газоразрядных ламп (11% от потребляемой ими электроэнергии).

II. В системах отопления, ГВС и водоснабжения

1. Составление руководств по эксплуатации, управлению и обслуживанию систем отопления и ГВС и периодический контроль со стороны руководства учреждения за их выполнением (5-10% от потребления тепловой энергии).

2. Оснащение систем отопления, ГВС и водоснабжения счетчиками расходов (до 50% от потребления тепловой энергии).

3. Автоматизация систем теплоснабжения зданий посредством установки индивидуальных тепловых пунктов (ИТП) (5-10% от потребления тепловой энергии).

4. Снижение тепловых потерь через оконные проемы путем установки третьего стекла или светопрозрачной пленки в межрамном пространстве окон (15-30%).

5. Улучшение тепловой изоляции стен, полов и чердаков (15-25 %).

6. Снятие декоративных ограждений с радиаторов отопления и установка теплоотражателей за радиаторами (до 15%).

7. Снижение потребления за счет оптимизации расходов и регулирования температуры (10-20% от потребления горячей воды).

8. Применение экономичной водоразборной арматуры (15-35%).

9. Применение частотного регулирования насосов систем водоснабжения (до 50% от потребляемой ими электроэнергии).

III. В котельных

1. Составление руководств и режимных карт эксплуатации, управления и обслуживания оборудования и периодический контроль со стороны руководства учреждения за их выполнением (5-10% от потребляемого топлива).

2. Повышение КПД котельной (5-20% от потребляемого топлива) за счет:

а) поддержание оптимального коэффициента избытка воздуха и хорошего смешивания его с топливом;

б) применение за котлоагрегатами установок глубокой утилизации тепла, установок использования скрытой теплоты парообразования уходящих дымовых газов (контактный теплообменник);

в) повышение температуры питательной воды на входе в барабан котла;

г) подогрев питательной воды в водяном экономайзере;

д) использование тепловыделений от котлов путем забора теплого воздуха из верхней зоны котельного зала и подачей его во всасывающую линию дутьевого вентилятора;

е) теплоизоляция наружных и внутренних поверхностей котлов и теплопроводов, уплотнение клапанов и тракта котлов (температура на поверхности обмуровки не должна превышать 55 °С);

ж) перевод котельных на газовое топливо.

3. Установка систем учета расходов топлива, электроэнергии, воды и отпуска тепла (до 20%).

4. Автоматизация управления работой котельной (до 30%).

5. Применение частотного привода для регулирования скорости вращения насосов, вентиляторов и дымососов (до 30% от потребляемой ими энергии).

6. Перевод котельных на альтернативное топливо (в 2-3раза).

Одним из мероприятий по энергосбережению является местное пофасадное регулирование отпуска теплоты на отопление в индивидуальных тепловых пунктах. Применяется при условии разделения системы отопления по фасадам здания. При отсутствии такого разделения используется местное (общедомовое) или индивидуальное регулирование расхода теплоносителя в приборах отопления. В основе пофасадного регулирования лежит учет влияния на теплопотребление здания таких факторов, как скорость ветра и солнечное излучение. Эти факторы индивидуальны для каждого из фасадов и зависят от ориентации фасадов здания относительно сторон света. В зависимости от сочетания указанных факторов могут быть предложены индивидуальные графики подачи теплоносителя в систему отопления помещений, прилегающих к различным фасадам здания [2].

Сделаем оценки потенциала энергосбережения при пофасадном регулировании отпуска теплоты в ИТП с учетом скорости ветра [2].

Эмпирическая зависимость для часового расхода теплоты на отопление помещений, прилегающих к наветренному фасаду здания, за рассматриваемый период времени с учетом влияния ветра записывается как:

Qон i=12(Qор+Qб)(tвр-tнср i)(tвр-tнр)a+1+a(wi/wр)2-Qб (1)

Для фасада, не подвергающегося воздействию ветра (w; = 0), удельное теплопотребление определяется по следующей формуле:

(Qор+Qб)(tвр-tнср i)(tвр-tнр)a-Qб (2)

В формулах (1) и (2) Q₀P - максимальное расчетное потребление тепловой энергии системой отопления при расчетных температуре наружного воздуха tнр и скорости ветра wp, кВт (Гкал/ч); Q_б - бытовые тепловыделения, кВт (Гкал/ч); tвр - расчетная температура воздуха внутри здания, °С; tнср i - текущая средняя за рассматриваемый период температура наружного воздуха, °С; w_i - текущая средняя за рассматриваемый период скорость ветра на уровне среднего этажа, м/с; а - безразмерный коэффициент, учитывающий влияние ветра на теплопотребление здания.

Если расчет теплопотребления выполняется при скорости ветра wp = 0, то в формулах (1) и (2) а = 1 и суммарное (по двум фасадам) теплопотребление здания без учета влияния ветра на тепловые потери будет составлять:

Qоi=Qор+Qбtвр-tнср itвр-tнр-Qб (3)

Опыт эксплуатации зданий показывает, что значения коэффициента а при расчетных скоростях ветра 2; 5 и 10 м/с равны соответственно, 0,94; 0,78 и 0,51. Практически это означает, что, например, расчетные теплопотребления при нулевой скорости ветра и при его расчетной скорости, составляющей 10 м/с, будут различаться почти в 2 раза.

Суммарное теплопотребление при пофасадном отпуске теплоты складывается из двух составляющих (см. (1) и (2)):

Qо wi=(Qор+Qб)tвр-tнср itвр-tнрa+1-a21+awiwр2-Qб (4)

В данном случае рассмотрим двухэтажное здание гостиницы, находящееся по улице Таранченко, д. 34 в г. Воронеже. Оценим экономию тепловой энергии за отопительный период при переходе на пофасадное регулирование его отопительной нагрузки с учетом влияния ветра. В климатической зоне Воронежа средняя за отопительный период температура tнср i = -3,1 °С, а средняя скорость ветра не превышает 4,2 м/с, продолжительность отопительного периода z₀ = 196 сут. = 4704 ч. За расчетную скорость ветра примем w_р = 5,1 м/с. Условная расчетная часовая отопительная нагрузка здания Qор = 0,056 Гкал/ч. Расчетная температура воздуха внутри здания = 20 °С.

Рассмотрим два случая:

- влияние ветра при отпуске теплоты учитывается, но пофасадное регулирование отсутствует, т.е. отпуск теплоты для обоих фасадов здания осуществляется, как для наветренного фасада;

- отпуск теплоты проводится по температурному графику, не учитывающему влияние ветра на теплопотери здания, пофасадное регулирование отсутствует.

В первом случае перерасход тепловой энергии, кВт или Гкал/ч, из-за отсутствия пофасадного регулирования в абсолютном исчислении будет определяться по формуле:

Qо wi=Qон i-Qоз i=Qор+Qбtвр-tнср itвр-tнр1-a2wiwр2, (5)

а перерасход тепловой энергии относительно расчетного теплопотребления (в долях) будет составлять:

Qо wiQор=1+Qбtвр-tнср itвр-tнр1-a2wiwр2, (6)

где Q_б - относительные бытовые тепловыделения.

Во втором случае перерасход тепловой энергии, кВт или Гкал/ч, по сравнению с пофасадным регулированием отпуска теплоты будет вычисляться в виде:

ΔQо i=Qо i-Qо wi=Qор+Qбtвр-tнср itвр-tнр1-a-1-a2wiwр2, (7)

а перерасход тепловой энергии относительно расчетного теплопотребления (в долях) будет составлять:

ΔQо iQор=1+Qбtвр-tнср itвр-tнр1-a-1-a2wiwр2, (8)

Для отопительного периода в условиях Воронежа при Q_б = 0,0024 с учетом параметров, взятых из СНиП «Строительная климатология», получим:

Для указанных условий в среднем без учета бытовых тепловыделений экономия тепловой энергии может составить 10—19,23 Гкал/год (при расчетном теплопотреблении I Гкал/ч) или 4,0—6,7 %. С учетом бытовых тепловыделений эта экономия может быть увеличена примерно до 5 — 8 %.

Приводимые значения являются средними за отопительный период. С учетом только скорости ветра, изменяющейся в диапазоне 0—5,1 м/с, и бытовых тепловыделений, составляющих 20 % расчетного теплопотребления, экономия может составить 6—12 %, а с учетом солнечного излучения — 9—16 %.

Техническая реализация пофасадного отопления осуществляется в результате модернизации индивидуального теплового пункта, суть которой заключается в автоматизации регулирования отпуска теплоты по фасадам здания [4]. Схема индивидуального теплового пункта приведена на рисунке.

Сетевая вода из подающего трубопровода тепловой сети поступает в систему отопления здания, в котором для помещений, прилегающих к каждому из фасадов, организован собственный контур системы отопления. На подающем трубопроводе каждого из контуров системы отопления установлен регулирующий клапан типа КР, который поддерживает заданную температуру внутреннего воздуха в помещении путем изменения расхода греющего теплоносителя при постоянной температуре его на входе в регулируемую установку в зависимости от наружных метеоусловий (количественный метод). Сигнал на изменение степени открытия/закрытия регулирующего клапана типа КР подается от контроллера, установленного на одном из фасадов здания и запрограммированного с учетом различной теплопотребности помещений, прилегающих к противоположным фасадам здания. Сигнал на регулирующий орган (контроллер) поступает от датчиков температуры наружного воздуха, температуры теплоносителя в подающей и обратной линиях и температуры воздуха в контрольном помещении, предусмотренных для каждого из фасадов.

На перемычках, соединяющих обратный и подающий трубопроводы каждого из фасадов, установлены насосы с частотным регулированием, которые способствуют частичному смешиванию обратной воды и воды из подающего трубопровода, тем самым изменяя температуру и расход греющего теплоносителя во внутренних контурах отопления помещений фасадов (качественно-количественное регулирование).

Рисунок -Принципиальная схема ИТП с автоматическим пофасадным регулированием отопительной нагрузки [2]: 1 - первая ступень водонагревателя; 2 - вторая ступень водонагревателя; 3 - насосы с частотным регулированием; 4 - циркуляционный насос системы горячего водоснабжения; 5-клапан запорно-регулирующий ГВС; 6 - клапаны регулирующие седельные типа КР; 7 - расходомер узла учета теплоты; 8- регулирующие органы (контроллеры); 9- узел учета теплоты; 10 - фильтр; 11- запорный орган; 12- обратные клапаны; 13 - датчики температуры.

Остальная часть воды из обратного трубопровода, не смешиваясь с водой из подающего трубопровода, идет на первую ступень водонагревателя [5,6]. Обратные клапаны обеспечивают течение потока воды строго в одном направлении.

Пофасадное регулирование особенно эффективно при реконструкции существующих протяженных многосекционных зданий, особенно муниципальных, выполняемой без замены системы отопления, а также во вновь построенных зданиях повышенной этажности (9—12 этажей и более) с выполненным по проекту разделением системы отопления по фасадам. По эквивалентному эффекту пофасадное регулирование ненамного уступает авторегулированию с термостатами, но значительно дешевле по капитальным затратам и не требует проведения сварочных работ в квартирах, необходимых при установке термостатов.

1. ГОСТ Р 51387-99 Энергосбережение. Нормативно-методическое обеспечение. Основные положения.– Введ. 2000-01-07. – М.: Госстандарт России, 1999. – 20 с.

2. Данилов, О.Л. Энергосбережение в теплоэнергетике и теплотехнологиях / О.Л. Данилов, А.Б. Гаряев, И.В. Яковлев, А.В. Клименко, А.Г. Вакулко. – М.: МЭИ, 2011. - 424 с.

4. Чудинов, Д.М. Разработка новых интеллектуальных светопрозрачных ограждающих конструкций зданий / Д.М. Чудинов, К.Н. Сотникова, К.С. Щербаков, Ю.А. Черноухова // Научный журнал. Инженерные системы и сооружения. – 2010. – Т.1. – С. 93-97.

5. Мелькумов, В.Н. Исследование влияния перегородок на вентиляционные потоки в помещении / В.Н. Мелькумов, К.А. Скляров, А.В. Климентов // Вестник Воронежского государственного технического университета. – 2006. – Т. 2. - №6. – С. 8.

6. Мелькумов, В.Н. Математическая модель вентиляционных процессов в помещениях сложной конфигурации / В.Н. Мелькумов, К.А. Скляров, А.В. Климентов // Вестник Воронежского государственного технического университета. – 2006. – Т. 2. - №6. – С. 53.

Читайте также: