|
| |
  |
На главную Энергетические ресурсы Энергосберегающие системы жилых канд. техн. наук
Пособие — руководство для тех, кто ищет энергоэффективные решения
Нормы проектирования жилища [1], действующие в Украине с 2006 года, включают в себя раздел «Энергосбережение», в котором обозначены основные требования к энергосберегающим инженерным системам зданий. Этот раздел введен в нормы проектирования жилых домов впервые, и в этой брошюре инженер-проектировщик найдет практические рекомендации, которые помогут ему выполнить некоторые нормативные требования, относящиеся к эффективному использованию энергии.
В тексте Пособия читатель не найдет ни одной строчки, которой перекликалось бы с широко известными постулатами, утверждающими и пропагандирующими популярные приемы энергосбережения. Но зато каждая строчка Пособия отражает реальный опыт исследования, проектирования, строительства и эксплуатации эффективных инженерных систем и устройств, накопленный Центром энергосбережения Киев ЗНИИЭП, и тот, кто ищет энергоэффективные решения при проектировании жилых домов, сможет этим опытом воспользоваться.
Любое энергосберегающее мероприятие требует затрат денежных средств, необходимых для его реализации. Популистские рекомендации типа «используйте солнечную энергию — она бесплатна» лишены практического смысла, потому что для извлечения тепловой энергии из бесплатных солнечных лучей нужно установить немало дорогих устройств. Поэтому большинство рекомендуемых Пособием технических решений оценивается не только по энергосберегающему эффекту, но и с учетом затрат, ценою которых этот эффект может быть достигнут.
на данный момент фактически все жилые дома в Украине потребляют тепловую энергию, полученную из природного газа. О стоимости тысячи кубических метров природного газа можно узнать из любой газеты или из программы новостей, в то время как традиционное для технико-экономических расчетов в энергетике понятие «условное топливо» не столь конкретно, особенно в части цены этого «топлива». Поэтому для оценки энергетической эфф. энергосберегающего устройства используется критерий «сокращение потребления газа». Для тех, кто остается приверженцем традиционного критерия оценки, напомним, что 1000 м3 природного газа эквивалентно 1,143 т условного топлива.
Вопросы, связанные со сжиганием природного газа в котлах или в других устройствах, в Пособии не рассматриваются, поскольку эти вопросы нормами проектирования жилых домов не регулируются. С другой стороны, в Пособии сделан акцент на энергосберегающие устройства, не использующие природный газ, потому что именно эти устройства могут создать основу энергетически эффективных зданий будущего, в то время как бесценный и неотвратимо исчезающий из недр Земли природный газ не имеет перспективы дальнейшего широкого использования.
В Пособии частично использованы материалы, ранее опубликованные в информационных сборниках Киев ЗНИИЭП «Энергосбережение в зданиях» № 1-28.
Нормы расчета тепловой мощности системы отопления [2] требуют учета следующих факторов:
Влияние каждого из этих факторов на величину тепловой мощности системы отопления различно, и для многоэтажных жилых домов, проектируемых согласно действующим нормам теплозащиты [3], это влияние иллюстрируется 1.
Менее всего влияют на тепловую мощность системы отопления факторы В и Г, составляющие в сумме около 9%. Уменьшить влияние этих факторов можно путем усиленной изоляции теплопроводов, прокладываемых в неотапливаемых помещениях, а также при установке тепловых экранов-отражателей за радиаторами, установленными у наружной стены. Кроме того, рекомендуется применять отопительные приборы, смежные типоразмеры которых мало отличаются друг от друга по поверхности теплоотдачи. Например, обогрев помещений секционными радиаторами с номинальной тепловой мощностью одной секции 160 Вт потребует меньше тепла, чем потребовалось бы в том случае, если бы в тех же помещениях устанавливались радиаторы с более мощными (например, 185 Вт) секциями. радиаторы, составленные из менее мощных секций, будут дороже, но, несмотря на это, они находят все более широкое применение, и более высокая их эффективность наряду с улучшенным дизайном этому способствуют.
Рациональное проектирование позволит сократить влияние факторов В и Г в 2-2,5 раза.
Более заметную роль в формировании величины тепловой мощности отопительной системы играет фактор Д. Десятипроцентная надбавка к теплопотерям, связанная с применением радиаторных термостатических клапанов (РТК), была введена в украинские нормы [2] одновременно с требованием об обязательном использовании РТК при проектировании систем отопления. Логика этой надбавки исходила из стремления предоставить радиаторным термостатам более широкое поле активной деятельности. Если бы эта надбавка не была введена, то при неудовлетворительной (в то время) нормативной температуре воздуха помещения 18 °С все термостатические клапаны в цикле эксплуатации постоянно оставались бы в статически устойчивом положении «открыто». Надо сказать, что десятипроцентная надбавка к теплопотерям практически мало что изменила. При отсутствии квартирных теплосчетчиков, жители по-прежнему предпочитают регулировать температуру в своих жилищах свежим воздухом из окна, в то время как РТК остаются в открытом положении.
Теперь, когда нормативная температура для большинства помещений жилого дома установлена на уровне 20–22 °С, нормативную надбавку к теплопотерям на РТК следовало бы отменить. крайне не желательно же, в самом деле, создавать условия для обязательного перерасхода тепла в надежде, что работой РТК этот перерасход, возможно, будет устранен. При таком подходе, ни о каком энергосбережении посредством РТК не может идти речь. Но, пока нормы не изменены, фактор Д остается незыблемым.
Вместе с тем, новыми нормами [1] уточнено, что в некоторых случаях РТК проектировать не нужно. Это касается радиаторов в лестничных клетках и в некоторых помещениях вспомогательного назначения. Особо следует отметить, что этими нормами в жилище второй категории (социальном) допускается проектировать однотрубные системы отопления с ручными полнопроходными шаровыми кранами в радиаторных узлах с замыкающими участками при условии, что эти системы будут запроектированы с пофасадным автоматическим регулированием. Это положение новых норм позволит строить более дешевое жилище для малообеспеченных граждан, а необходимый энергосберегающий эффект при этом будет достигнут средствами не менее эффективными, чем РТК, но простыми и более надежными. Стоит так же раз напомнить, что для помещений, в которых отсутствуют РТК, десятипроцентную надбавку к теплопотерям вводить не нужно.
2. Уменьшение тепловых потерь ограждающими конструкциями
Поэтому грамотный заказчик* может потребовать от проектировщика рассчитать не минимально допустимый, а оптимальный слой утеплителя с учетом нынешних и возможных в будущем цен на энергоносители. изучим несколько примеров рационального подхода к проблемам утепления строящихся жилых домов.
Задача первая. Для утепления стены проектом предусмотрен утеплитель с коэффициентом теплопроводности 0,040 Вт/(м . °С). Теплотехническим расчетом установлено, что при толщине утеплителя 60 мм термическое сопротивление стеновой конструкции составляет 2,52 м2 . °С/Вт, что удовлетворяет требованиям [3]. Заказчик предполагает, что через 5-7 лет природный газ будут продавать по цене 500 долларов за 1000 м3, и попросил проектировщика оценивать целесообразность увеличения толщины утеплителя.
После утолщения утеплителя на один сантиметр термическое сопротивление стены будет равно:
При теплотворной способности природного газа 0,008 Гкал/м3 утолщение слоя утеплителя на 1 см позволит сократить потребность в газе на
Выполненные таким же способом расчеты показывают, что сверхнормативное утолщение (то есть утолщение, в результате которого термическое сопротивление стены превысит нормативную величину 2,5 м2 . °С/Вт) слоя утеплителя на 2…6 сантиметра приводит к результатам, показанным на 2.
Решение о том, увеличивать или не увеличивать толщину сверхнормативного слоя утеплителя должен теперь принять заказчик. Если он предполагает, что стоимость природного газа возрастет до 500 долларов** за 1000 м3, то лишний 1 см утеплителя позволит ему в перспективе экономить
Если один квадратный метр утеплителя толщиною 2 см стоит около 1 долл., то дополнительные затраты заказчика на сверхнормативное утепление окупятся менее чем через три года, и в течение всего срока эксплуатации построенного дома дополнительный теплоизоляционный слой будет приносить доход владельцу.
Задача вторая. Производитель высокотехнологичных окон со стеклопакетами, наполненными инертным газом и выполненными из стекол, покрытых теплозащитной пленкой, предлагает заказчику свою продукцию. Теплотехнические испытания этих окон зафиксировали величину их термического сопротивления, равную 0,7 м2 . °С/Вт, что на 0,2 выше нормативного значения. Заказчик обратился к проектировщику с просьбой оценивать экономический эффект от применения энергетически эффективного окна, исходя из перспективной цены природного газа 500 долл. за 1000 м3.
Пользуясь методом, подробно изложенным в предыдущем примере, определим, что тепловые потери участка окна площадью 1 м2 при расчетной разности температур 42 °С сократятся на (1/0,5 - 1/0, * 42 = 24 Вт. Сокращение годового теплопотребления составит при этом:
Заказчику остается лишь сопоставить последнюю цифру с превышением стоимости 1 м2 энергоэффективного окна над стоимостью обычного окна, обеспечивающего нормативный уровень теплозащиты. Если это превышение составляет, например, около 30 долл./м2, то десятилетний срок окупаемости дополнительных инвестиционных затрат может быть оценен заказчиком как приемлемый с учетом того, что срок службы этого окна должен быть намного продолжительнее.
Задача третья. Условия предыдущего примера уточняются. Отопление дома предполагается выполнить с использованием теплового насоса, стоимость которого, отнесенная к одному киловатту тепловой мощности, оценивается величиной 1000 долларов.
В предыдущем примере было рассчитано, что теплопотери энергоэффективного окна уменьшаются на 24 Вт/м Это означает, что тепловой насос в доме с такими окнами может быть менее мощным, а его стоимость будет меньше, причем каждый квадратный метр окна снизит стоимость теплового насоса на 24 долл. В этом случае превышение стоимости энергоэффективного окна над окном обычным в 30 долл./м2 приведет к относительному удорожанию всего на 30 - 24 = 6 долл./м2, и срок окупаемости такого окна с учетом перспективной цены газа составит около двух лет.
В целом, при сверхнормативном утеплении ограждающих конструкций тепловая мощность отопительной системы жилого дома может быть уменьшена на 10–15 %.
2. Уменьшение тепловых потерь с вентиляционным воздухом
Сохранение действующего в Украине высокого уровня нормативного воздухообмена связано с ограниченными возможностями систем газоснабжения при пиковых тепловых нагрузках. При низких давлениях газа в газопроводе не удается поддерживать расчетные температуры теплоносителя в системах отопления, и пониженный относительно нормативных значений уровень воздухообмена в некоторой степени сглаживает проблемы, связанные с недостаточными температурами на поверхности отопительных приборов. Теперь уже ясно, что проблемы с газоснабжением в Украине со временем будут усугубляться, и по этой причине вводить у нас европейские нормативы кратности воздухообмена не имеет смысла. уменьшить нормативные потери тепла с вентиляционным воздухом невозможно, если не применить рекуперативную приточно-вытяжную вентиляцию.
Рекуперативные теплообменники, в которых происходит обмен теплом м. вытяжным и холодным приточным воздухом, широко применяется в центральных системах приточно-вытяжной вентиляции зданий различного назначения.
Однако, применение центральных систем вентиляции в многоэтажных жилых домах связано со множеством различных проблем (излишняя энергоемкость, потеря полезной площади, занятой воздуховодами, шум, принцип. возможность переноса бактерий, сложность распределения воздуха по помещениям), не позволяющих рекомендовать эти системы к применению в современных проектах.
Кардинально решить задачу уменьшения потерь тепла с вентиляционным воздухом в жилых домах возможно, применив новое устройство, получившее название ТеФо (теплая форточка).
ТеФо — это устройство, обеспечивающее воздухообмен в комнате и теплообмен м. воздухом, покидающим эту комнату, и поступающим в нее свежим воздухом. В основу конструкции ТеФо положены принципы создания теплообменных аппаратов ТТАИ с высокой плотностью теплового потока. Они состоят из тонкостенных трубок периодического профиля, выполненных из нержавеющей стали и собранных, благодаря особой технологии, в чрезвычайно плотный пучок.
ТеФо состоит из двух осевых вентиляторов — приточного и вытяжного, встроенных в пластмассовый корпус, и теплообменной поверхности, собранной что вытяжной воздух движется по межтрубному пространству, в то время как свежий воздух перемещается по трубкам. Установка ТеФо схематически показана на 3.
Удобнее всего располагать ТеФо под окном или в специальной нише для скрытой установки.
Во время теплофиз. исследований образцов ТеФо в климатической камере Киев ЗНИИЭП при температуре -24 °С в холодном отсеке эффективность теплообмена была зафиксирована на уровне 71–73 %.
Последующие натурные испытания при температурах наружного и внутреннего воздуха -26 °С и +18,5 °С и относительной влажности воздуха в помещении 70 % показали, что конденсат, образующийся в контуре вытяжного воздуха на поверхности теплообменных трубок периодического профиля, в осадок не выпадает и свободно уносится наружу.
С 2005 г. ТеФо четырех моделей серийно выпускается предприятием «Теплообмен» (г. Севастополь). Технические характеристики аппаратов представлены в табл. 2.
2. Возможная структуратепловой мощности
Следуя рекомендациям, изложенным в предыдущих разделах Пособия, можно запроектировать жилой дом что тепловая мощность его отопительной системы будет фактически вдвое ниже той величины, которую обычно показывают в проектах, выполняемых по минимальным требованиям действующих норм ( .
В новой структуре тепловой мощности доля трансмиссионных тепловых потерь будет преобладающей, что в полной мере будет отвечать логике формирования тепловой нагрузки.
2.2.1 Рычаги управления рациональным теплопотреблением
Есть только два рычага рационального потребления тепловой энергии.
Первый рычаг — стимулирование энергосберегающего поведения жителей. Если у жителей не будет желания экономно расходовать энергию, потребляемую в доме, то самые совершенные технические средства, предусматриваемые проектом, работать не будут. Оставив за рамками этого пособия чисто воспитательные и просветительские методы стимулирования бережного отношения к энергии, сосредоточимся далее на технических средствах коммерческого учета теплопотребления.
Второй рычаг — средства автоматического регулирования систем, использующих тепловую энергию. так же недавно главной проблемой использования автоматики в жилых домах была скудность имеющихся в наличии средств регулирования. Нынешнее разнообразие этих средств породило новые проблемы, связанные с выбором наиболее рациональных технических решений.
2. Коммерческий учет теплопотребления
В соответствии с действующими нормами устраивать коммерческий учет обязательно только в тепловом пункте жилого дома. Квартирные теплосчетчики могут предусматриваться по заданию на проектирование.
При отсутствии в системе отопления квартирных теплосчетчиков, счета на оплату отопления распределяются м. владельцами квартир пропорционально занимаемой ими площади. Такой порядок лишь в некоторой степени способен стимулировать энергосберегающее поведение жителей.
Квартирные системы отопления рек. проектировать с теплосчетчиками на квартирных вводах системы отопления. На 5 показан пример проектного решения двух квартирных вводов, расположенных в одном шкафу, со счетчиками тепла, включающими в себя расходомеры 4 с импульсным выходом, термометры сопротивления 5, установленные на подающем и обратном трубопроводах, и тепловычислители Шкаф с теплосчетчиками обычно устанавливают в коридорах общего пользования. Квартирную систему отопления подключают к стоякам через узел ввода, от которого теплоноситель подается к радиаторам по трубам, скрыто прокладываемым в подготовке пола.
Счета на оплату тепловой энергии владельцами квартир, оборудованных теплосчетчиками, должны включать в себя кроме стоимости тепловой энергии, использованной в квартирной системе отопления, часть стоимости тепла, использованного для отопления помещений общего пользования (лестничных клеток, коридоров, лифтовых холлов и т.п.). Для определения этой части используют методику, согласованную с владельцами квартир жилого дома.
Обычно для этого используют показания приборов учета, установленных в тепловом пункте, и сумму показаний квартирных теплосчетчиков и распределяют дополнительные затраты пропорционально площади квартир дома.
Как видим, несмотря на принцип. возможность применения для квартирных систем точных приборов учета, сумма платежей за отопление определяется методом вычислений, в которых точность показаний приборов нивелируется влиянием факторов, от точности приборов не зависящих.
К тому же, сама по себе точность определения расходов тепла в данном случае грешит нелогичностью, поскольку вынуждает платить больше владельцев угловых квартир, и квартир, расположенных под крышей многоэтажного дома, не потому, что они расходуют лишнюю энергию, а только потому, что им такие отдельной квартиры достались.
В этих условиях нет нужды стремиться к высокой точности измерения расходов тепла в квартирных системах, и квартирный ввод, показанный на 5, можно упростить, применив в нем расходомеры без импульсных выходов. В этом случае датчики температуры и тепловычислитель не устанавливают, а счета на оплату за отопление формируют, используя показания приборов учета, установленных в теплопункте, и распределяя общую сумму платежа пропорционально показаниям квартирных расходомеров. Это техническое решение не нарушает принципов стимулирования энергосберегающего поведения жителей, но упрощает квартирный ввод и систему расчетов с жителями.
Замена теплосчетчиков расходомерами в квартирных вводах целесообразна только при применении двухтрубных квартирных систем с радиаторными термостатическими кранами (РТК) или при однотрубных системах с локальными (на квартиру) регуляторами, изменяющими расход теплоносителя соответственно нагрузке.
В системах отопления с вертикальными стояками возможно устройство квартирного коммерческого учета путем установки на каждом отопительном приборе специальных испарительных или электронных устройств, фиксирующих величину, пропорциональную разности температур на поверхности радиатора и в воздухе помещения. При неизменной поверхности радиатора и коэффициенте его теплоотдачи фиксированная этими устройствами величина будет пропорциональна величине теплового потока, направленного от поверхности радиатора в помещение. Это свойство используют для вычисления коэффициентов, при помощи которых формируют счета на оплату, распределяя измеренное теплосчетчиком теплового пункта количество тепла м. потребителями. Такой метод широко применяется в некоторых европейских странах, например, в Германии.
2. Автоматическое регулирование теплового потока 2.2. Регулирование посредством РТК
Радиаторные термостатические клапаны (РТК) предназначены для полного или частичного перекрывания потока теплоносителя, подаваемого системой отопления в отопительный прибор, при повышении температуры воздуха в помещении выше заданной. Правильно подобранный и осознанно эксплуатирующийся РТК способен сократить годовое потребление тепловой энергии на 10-20 %. Правила подбора РТК различного типа, иллюстрированные практическими примерами, подробно изложены применительно к различным системам отопления в Альбоме рекомендаций [5]. Вместе с тем, вероятность того, что в конкретной системе отопления жилого дома РТК будут установлены правильно, и их работа будет эффективна, невелика. Такое суждение опирается на ряд факторов, значение которых крайне не желательно недооценивать, а именно:
Правильно подобранный РТК в двухтрубной системе отопления многоквартирного жилого дома должен быть настроен таким образом, чтобы его пропускная способность соответствовала тепловой мощности радиатора, а клапан при этом работал в зоне пропорциональности 2 К, то есть регулирующий орган клапана должен постоянно находиться в положении близком к закрытому. При этом его гидравлическое сопротивление не должно превышать 25 кПа, чтобы клапан не шумел, а его так называемый «внешний авторитет», которым регламентируется соотношение гидравлических сопротивлений клапана и трубопроводной системы, должен находиться в интервале от 0,5 до 0, Все эти жесткие требования возможно выполнить только теоретически при условии, что на каждом ответвлении трубопроводной системы будут установлены автоматические регуляторы перепада давления, которые должны быть настроены должным образом, и эта настройка ни при каких условиях не должна нарушаться при эксплуатации.
Жесткими правилами подбора РТК не руководствуются даже в странах, откуда эта продукция поставляется в комплекте с радиаторами. Наш потребитель, покупая в свою квартиру такой импортный комплект, собранный из случайных продуктов, получает устройство, которое физически не может вписаться в проект системы отопления, как бы хорошо этот проект ни был разработан.
В реальных условиях строительства и дооборудования жителями многоэтажных жилых домов предусмотренные проектом РТК часто демонтируют, заменяя их шаровыми кранами, которые способствуют полной гидравлической разбалансировке отопительной системы.
Для того чтобы разбалансированная система работала удовлетворительно, в нее приходится подавать расход воды, превышающий проектное значение в 1,4-1,6 раза при соответствующем перерасходе тепловой энергии [6].
Значительно меньше жестких требований предъявляется к РТК однотрубных отопительных систем, и разбалансировка таких систем вследствие замены РТК менее вероятна. Вместе с тем, принцип. возможность экономии тепловой энергии посредством РТК в любом случае крайне не желательно переоценивать из-за влияния субъективных факторов на эту принцип. возможность при не вполне сформировавшемся энергосберегающем поведении жителей.
Проектировщики систем отопления обязаны применять РТК в своих проектах, и относиться к этому нужно с высокой ответственностью, строго соблюдая правила подбора, изложенные в приложении 1, потому что правильный выбор РТК является необходимым, хотя, к сожалению, и недостаточным условием их эффективной работы. Применив РТК, проектировщик может записать в свой актив, бесспорно принимаемый любой экспертизой или инспекцией факт использования в проекте прогрессивной энергосберегающей техники. Но, если проектировщик действительно озабочен проблемой рационального использования тепловой энергии в здании, то он должен сосредоточить свое внимание на регулировании в тепловом пункте.
2.2. Регулирование в тепловом пункте
Если бы радиаторные термостаты были способны четко выполнять свое назначение: поддерживать нужную температуру в помещениях, предотвращая их перегрев, то регулировать в тепловых пунктах ничего не нужно было бы, потому что РТК теоретически способны реализовать самое совершенное регулирование — «по отклонению» температуры помещения. Но, как выяснилось, практически это в полной мере не происходит, и потому требуется еще и регулирование в тепловом пункте.
В зданиях с многокомнатной планировкой центральное регулирование «по отклонению», не применяется, потому что регулировать теплопотребление здания по одной или нескольким контрольным комнатам, в которых можно было бы установить датчики температуры, было бы неточно, какими бы представительными эти комнаты ни были. В таких зданиях температуру в помещениях приходится регулировать косвенно. Если согласно расчету для удовлетворительного отопления температура теплоносителя t1 должна соответствовать температуре наружного воздуха tH, то регулятор должен обеспечивать это соответствие, и как только соответствие это нарушится, по факту «возмущения» будет подана команда исполнительному органу на восстановление удовлетворительного режима отопления.
Регулирование «по возмущению» не способно реагировать на внутренние тепловыделения в помещениях. Ни на солнечное излучение, ни на поступление тепла от работающих компьютеров, ни на бытовые источники тепла регулятор не среагирует. Наиболее отчетливо регулятор среагирует на изменение погодных условий, и поэтому такое регулирование называют «погодным».
В качестве управляющего прибора центрального регулирования отопительной системы служит электронный регулятор (контроллер), способный воспринимать информацию от датчиков температуры и от встроенного таймера и преобразовывать ее в команды для электрических исполнительных механизмов, воздействующих на тепловые потоки. Регуляторы систем отопления должны выполнять погодное и программное регулирование.
Погодное регулирование обеспечивается температурным графиком, который задается углом наклона линии изменения температуры в координатах t = f(tH), где t — температура теплоносителя в подающем или обратном трубопроводах, а tH — текущая температура наружного воздуха.
Программное регулирование позволяет в нужное время перевести систему отопления на погодное регулирование по пониженному температурному графику.
При выборе регулятора рек. исходить из реальной потребности объекта. Оптимальный для объекта регулятор — это такой прибор, функциональные возможности которого не превышают функциональных потребностей регулируемой системы. Чем регулятор проще, тем он надежнее в работе.
Функцию погодного регулирования применительно к системам отопления, присоединенных к тепловым сетям с расчетными температурами теплоносителя 150-70 °C, можно упростить, если поддерживать нужную температуру воды в обратном трубопроводе, которая зафиксирована тепловыми сетями, и никто не имеет право ее ни завышать (теплосети не позволят), ни занижать (потребитель замерзнет).
Температура воды t2, °C, в обратном трубопроводе для всех зданий, строящихся на территории, где расчетные наружные температуры tHP, °C, находятся в интервале значений от -15 до -30 °C, должна поддерживаться на уровне:
где tH — текущая температура наружного воздуха, °C.
Для каждого конкретного района формула ( упрощается. Например, для Киева, где tHP = -22 °C, формула приобретает вид:
Эффективно управлять системой по столь простому алгоритму можно при помощи простых регуляторов, формирующих команды на основе двух датчиков температур ( и способных ночью менять по команде таймера цифру «48» на меньшую, определяемую установкой, например, на 44.
принцип. возможность ночного понижения температуры теплоносителя в жилых домах долгое время считалась спорной, но выполненные исследования не оставляют сомнений в целесообразности и эффективности такого понижения в переходный период. В отдельных случаях даже после шестичасового сокращения теплопотребления никаких изменений температуры в помещениях зафиксировать не удалось, что связано с высокой инерционностью водяных отопительных систем и строительных конструкций здания. Продолжительность работы в ночном режиме и допустимая глубина регулирования должны определяться для каждого дома индивидуально с тем, чтобы избежать недовольства жителей.
Высокая тепловая инерционность обогреваемого отопительной системой жилого дома обусловила принцип. возможность вполне эффективного регулирования пропусками, которое может быть реализовано посредством использования позиционных клапанов. Такая многократно проверенная практикой принцип. возможность открывает благоприятные перспективы для оборудования системами автоматики абонентских вводов, где нет циркуляционных насосов с электроприводом, которые по европейским стандартам являются непременной деталью регулируемого теплового пункта ( 7, а).
Оказалось, что системы отопления с элеваторным присоединением к тепловой сети, прежде несправедливо отнесенные к устройствам, тепловую мощность которых регулировать невозможно, могут эффективно экономить тепловую энергию, если оборудовать их позиционным регулятором ( 7, б).
Сопоставление двух схем (а и б на автоматизированного приготовления теплоносителя не оставляет сомнений в рациональности второй схемы при реконструкции существующих тепловых пунктов жилых домов.
Особенностью водоструйного насоса (элеватора) является его неспособность изменять k смешения при уменьшении расхода сетевой воды, поступающей в сопло. Если бы на месте клапана 4 стоял пропорциональный регулятор, то при его частичном закрытии соответственно изменился бы расход воды в системе отопления, что привело бы ее к разбалансированию. Но никаких проблем с гидравлической балансировкой не возникает при кратковременном закрытии позиционного клапана 4.
Клапан 4 выполняется со встроенным байпасом, через который проходит около 10 % воды при закрытом клапане. Это необходимо для того, чтобы контроллер отслеживал изменение температуры обратной воды. При отсутствии встроенного байпаса нужно предусмотреть в проекте обводную линию с балансировочным клапаном.
Исследования, выполненные на абонентских вводах, оборудованных приборами тепловой автоматики КИАРМ, подтвердили не только возможность, но и эффективность позиционного регулирования. Высокие потребительские качества систем отопления, оборудованных позиционными регуляторами, объясняются тем, что дискретность срабатывания исполнительных механизмов нивелируется инерционностью системы, в результате чего потребитель этой дискретности не ощущает вовсе.
Опыт применения позиционных регуляторов КИАРМ свидетельствует об уменьшении годового потребления тепла в жилых домах на 15-20 %, а в пристроенных помещениях общественного назначения — до 40 %. Это означает, что регулируемая система отопления жилого дома тепловой мощностью 1 Гкал/ч сэкономит около 500 Гкал в год, что равносильно годовой экономичности около 70 тыс. м3 природного газа.
При выборе схемы теплового пункта в проектах новых жилых домов следует иметь ввиду, что элеватор не может применяться в качестве побудителя циркуляции в двухтрубных системах отопления с термостатическими клапанами.
Здания, имеющие четко выраженную ориентацию фасадных стен рек. проектировать с фасадными ветвями отопительных систем, каждая из которых должна иметь свой регулятор теплового потока. При этом датчики температуры tH наружного воздуха ( должныбыть установлены на том фасаде, который обогревается системой отопления, регулирующейся при помощи этого датчика. Эффективность регулирования при этом будет весьма высокой, потому что такая система чувствительна к воздействию солнечного излучения на фасад, что обычно свойственно лишь регуляторам «по отклонению», к которым относятся термостатические клапаны. По этойпричине нормы допускают при проектировании социального жилища выполнять однотрубные системы отопления с полнопроходными шаровыми кранами вместо термостатических клапанов при условии, что эти системы запроектированы с пофасадным регулированием.
Рациональные проектные решения не обязательно создают реальную экономию тепла. Многое зависит от эксплуатации. Но вероятность того, что экономия состоится, намного выше там, где используются приборы тепловой автоматики, доступные только профессионалам, в то время как самые совершенные приборы, находящиеся во власти большого количества неквалифицированных потребителей, имеют мало шансов достойно выполнить свою работу.
Естественная вентиляция жилища нелогична, если исходить из современных представлений о комфорте и об энергетической эффективности. С одной стороны, воздухообмен, обеспечиваемый решетками в кухнях и санузлах, недостаточен, особенно для больших квартир. С другой стороны, он избыточен, если учесть, что в течение значительной части суток, когда в квартире никого нет, тепло непрерывно покидает жилище через вытяжные решетки.
Новые нормы проектирования жилых домов не исключают возможности применения систем вентиляции с естественным побуждением, но энергоэффективные технические решения вентиляции должны основываться на новой концепции, смысл которой определяется следующими положениями:
Следуя положению 1, крайне не желательно проектировать в жилом доме систему механической вентиляции с непосредственным подключением вентилятора к сборной вентиляционной шахте через обратный и огнезадерживающий клапаны, потому что при выключенном вентиляторе никакого воздухообмена в квартире не будет.
Следуя положению 2, вытяжные вентиляторы в кухнях и санузлах необходимы, но каналы должныбыть или обособленными, или присоединенными к сборной шахте через каналы-спутники высотою не менее 2 м. при выключенных вентиляторах в квартире будет обеспечен непрерывный пассивный воздухообмен, а при включенных — временный активный.
Следуя положению 3, крайне не желательно проектировать в жилом доме систему вытяжной вентиляции, включающую в себя воздуховоды из оцинкованной стали, потому что долговечность этих воздуховодов несопоставимо мала по сравнению с долговечностью жилого дома. Воздушные каналы должны выполняться в строительных конструкциях, то есть, из бетона или кирпича, и только каналы-спутники длиною 2 м могут выполняться из стальных труб.
Следуя положению 4, в наружных ограждающих конструкциях (обычно в окнах) должны устраиваться отверстия для приточной вентиляции, — так называемые проветриватели, но наиболее эффективным техническим решением вентиляции всех помещений отдельной квартиры является установка в них приточно-вытяжного рекуперативного аппарата ТеФо (см. раздел 2.1. .
На 8 показаны расходы воздуха в двухметровых по высоте каналах спутниках трех различных диаметров при естественном побуждении.
Указанные на 8 зависимости, полученные аналитически*, характерны для свободного движения воздуха. При наглухо закрытых створках окон через систему вытяжной вентиляции воздух вообще не пойдет. Предполагается, что приточный воздух будет заходить в помещения через открытые проемы форточек или через проветриватели, встраиваемые в переплеты современных окон
.
Для пассивного естественного воздухообмена достаточен расход воздуха, равный 75 % нормативного расхода. При нормативном [1] расходе вытяжного воздуха из объема кухни 90 м3/ч пассивный воздухообмен должен быть около 68 м3/ч, и при наружной температуре переходного периода +5 °C такой расход может быть обеспечен воздушным каналом диаметром 100 мм. Для вытяжки из санузла при нормативном расходе 50 м3/ч пассивный воздухообмен при неработающем вентиляторе составит 38 м3/ч, и воздушный канал диаметром 80 мм будет достаточен для этой цели.
Вытяжной вентилятор должен устанавливаться на входе в вытяжной канал. Он должен подавать удвоенный нормативный расход воздуха и развивать давление, достаточное для преодоления гидравлического сопротивления воздушного канала от вентилятора до выхода в атмосферу. При этом гидравлическое сопротивление сборной шахты должно рассчитываться при всех работающих вентиляторах, соединенных со сборным каналом.
Сечение сборной шахты должно быть таким, чтобы при работе всех, кроме одного, квартирных вентиляторов, подающих вытяжной воздух в эту шахту, в нем не создавалось давление, способное опрокинуть естественную тягу в том единственном канале, в котором вентилятор не работает.
Нормами [1] установлено, что удельное сопротивление трению при движении воздуха в сборной шахте во время работы всех присоединенных к ней местных вентиляторов не должно превышать 0,65 Па/м*.
С учетом этого ограничения минимальную площадь сечения сборной шахты F, м2, рекомендуется приближенно определяться по формуле
где B — коэффициент, величина которого зависит от шероховатости стенки шахты и принимается равной 0,0004 для стальной трубы, 0,0006 — для бетонной и 0,0009 — для кирпичной шахты.
Величину GК рек. рассчитывать по формуле:
где gH — сумма нормативных расходов воздуха, м3/ч, из помещений, воздух из которых собирается в сборном канале.
Задача четвертая. Определить минимальную площадь сечения сборной вентиляционной шахты 16-этажного жилого дома, выполненной из железобетона, если на каждом этаже в нее подключены каналы-спутники из кухни и совмещенного санузла одной отдельной квартиры.
Нормативный [1] расход вытяжного воздуха из кухни равен 90, а из санузла — 50 м3/ч. Расчетный для выбора сечения шахты расход воздуха, м3/ч, при всех работающих местных вентиляторах определяется по формуле 4:
вентиляционные блоки, разработанные в свое время для многоэтажных типовых жилых домов, не удовлетворяют новым требованиям, регламентирующим площадь сечения сборной шахты. Это естественно, поскольку старые каналы проектировались исключительно для небольших расходов воздуха при гравитационном побуждении.
Несмотря на то, что сборная шахта в новых домах будет больше, чем она была в домах, построенных в прошлом веке, вытяжную вентиляцию рек. проектировать чтобы вытяжной канал в целом был компактнее, чем прежде. Этого удается достичь, если обособленные каналы-спутники, площадь сечения которых теперь минимальна, разместить в габаритах сборной шахты.
На 9, а показано техническое решение вентиляционного блока применительно к условиям четвертого примера. Обособленные каналы-спутники нормативной длиною 2 м каждый не занимают полезного сечения сборной шахты, которая остается полностью свободной выше того уровня, где эти каналы заканчиваются. Направление движения воздуха в сборной шахте совпадает с направлением входа воздуха из каналов-спутников, что создает эжектирующий эффект, способствующий дополнительной устойчивости естественной тяги в каналах-спутниках, работающих в режиме пассивной вентиляции. габаритные размеры вентиляционного блока совпадают с размерами сборной шахты. Уменьшенные обособленные каналы открывают принцип. возможность применения в многоэтажных домах многоканальных блоков, в которых обособленные вытяжные каналы, не объединяясь, проходят до выброса наружу. При этом могут использоваться монолитные каналы в поперечных несущих стенах, которые в этом случае не занимают полезной площади квартир. На 9, б показаны размеры многоканального блока для санитарного узла 12-этажного жилого дома.
Применение 100-миллиметровых каналов для вытяжки из санузлов вместо восьмидесятимиллиметровых, как это было определено в результате анализа 8, связано с большой протяженностью обособленного канала. 80-миллиметровый канал был бы достаточен для пассивной вентиляции, для которой длина канала не имеет значения, поскольку потери на трение в протяженном канале соответствуют увеличению располагаемого давления при естественном побуждении. В режиме активной вентиляции гидравлические потери могут оказаться чрезмерными по сравнению с давлением, развиваемым вентилятором. Поэтому рекомендации, касающиеся размеров вытяжных каналов, сделанные на основе анализа 8, к многоканальным блокам не относятся, и диаметры каналов в них нужно выбирать для режима активной вентиляции с учетом давления, развиваемого вентилятором, при подаче удвоенного нормативного расхода воздуха. Сокращение энергоемкости систем водоснабжения
Расход воды в системах холодного и горячего водоснабжения жилого дома определяется двумя факторами, — поведением жителей и давлением воды.
Энергосберегающее поведение жителей определяется, главным образом, суммами ежемесячных платежей за воду, если платежи эти отвечают объемам фактического потребления воды. Действующие в Украине нормы [7] требуют обязательной установки квартирных водосчетчиков.
Нормами [1] установлена новая предельная величина давления у водоразборных кранов. Теперь она равна 4,5 бар вместо 6, и это обстоятельство должно способствовать заметному уменьшению потребления воды в многоэтажных жилых домах и, как результат, уменьшению нормы водопотребления, которая пока остается чрезмерно высокой. Более низкое нормативное давление ведет к увеличению количества зон в высотных зданиях и к уменьшению мощности повышающих водопроводных насосов.
Для того чтобы уменьшить потребление энергии приводами повышающих насосов, насосные установки нужно выполнять с пневмобаками, при наличии которых насосы могут автоматически отключаться в период, когда нет водоразбора. Ведущие фирмы поставляют в собранном виде насосные группы с пневмобаком с возможностью одновременного включения нужного количества насосов, один из которых служит для подачи воды при минимальной потребности.
Самым рациональным способом управления повышающим насосом является частотное регулирование. Применением сложных систем управления повышающими насосами определяется необходимость единой повышающей установки для систем холодного и горячего водоснабжения. Она должна рассчитываться на подачу суммарного секундного расхода воды при давлении, учитывающем потери в водонагревателях горячего водоснабжения, которые не должны превышать 1 бар в обеих ступенях подогрева. При этом максимальное давление в системе горячего водоснабжения не должно превышать 4,2 бара, а в холодном водопроводе в этом случае допускается 4,8 бара.
При необходимости понижения давления во внутренней водопроводной системе невысокого здания применяется регулятор давления прямого действия «после себя».
На 10 показана схема водопроводного ввода с регулятором давления «после себя». Регулятор должен применяться в тех случаях, когда давление Р1 в городском водопроводе, выраженное в метрах водяного столба, превышает высоту, м, водопроводной системы здания на 20 м и более. При установке регулятора следует иметь в виду, что он может применяться исключительно на хозяйственно-бытовых системах водоснабжения.
Установка регуляторов давления «после себя» рек. на водопроводных вводах зданий детских садов и школ, расположенных внутри района, застроенного многоэтажными зданиями, а также в других подобных случаях.
Циркуляционные насосы систем горячего водоснабжения должны обеспечивать расход воды QГВС, м3/ч, минимально необходимый для предотвращения ее чрезмерного (более чем на 10 °C) охлаждения при отсутствии водоразбора.
где t — предельно допустимая разность температур, °C, в горячем и циркуляционном трубопроводах, принимаемая 10 °C;
где — k теплоотдачи, Вт/(м2 . °C), от поверхности нагретой трубы к воздуху помещения, принимаемый 11 Вт/(м2 . °C);
Давление Н, кПа, циркуляционного насоса системы горячего водоснабжения принимают равным величине гидравлического сопротивления контура циркуляции, включающего в себя наиболее удаленный от насоса циркуляционный стояк, при прохождении через сборный участок контура расхода QГВС, вычисленного по формуле 5.
Циркуляционными насосами горячего водоснабжения целесообразно управлять, отключая их во время пикового водоразбора. Командой для такого отключения может быть электрический сигнал от водосчетчика или от датчиков перепада давления, установленных, например, до и после водоподогревателя. В системах горячего водоснабжения пристроенных помещений общественного назначения циркуляционный насос нужно отключать по команде таймера на ночь и на выходные дни вместе с отключением водоподогревателя горячего водоснабжения от тепловой сети.
При прокладке трубопроводов горячего водоснабжения в эффективной тепловой изоляции расходы тепловой и электрической энергии на циркуляцию будут минимальными, в особенности при использовании электрических полотенцесушителей вместо водяных, которые обычно присоединяют к системе горячего водоснабжения.
При применении в качестве водонагревателей интенсифицированных кожухотрубных теплообменников ТТАИ можно вообще отказаться от использования циркуляционных насосов в системах горячего водоснабжения (раздел 3. .
Практика проектирования и строительства теплопунктов строящихся жилых домов в течение последнего времени демонстрирует тенденции неоправданного их усложнения, следствием которого является не только удорожание строительства, но и неэффективность эксплуатации. Перенасыщенность ИТП циркуляционными насосами приводит к излишнему потреблению электроэнергии и к понижению уровня надежности системы, отключающейся при перерывах в электроснабжении. Возможности многофункциональной автоматики, применяющейся в теплопунктах, превышают фактическую потребность, а обслуживающий персонал не всегда способен выделить необходимые для реального энергосбереженияфункции многочисленных регуляторов, в результате чего они во множественных случаях вообще не работают.
Сущность рационального подхода к проектированию ИТП состоит в том, что современный жилой дом безусловно стоит того, чтобы его тепловой пункт проектировался индивидуально с учетом высоты здания и площади квартир, степени комфортности и особых требований инвесторов, давлений в трубопроводах теплоснабжения и водоснабжения, площади и конфигурации помещения теплового пункта. Так называемые модульные теплопункты, собираемые из узлов заводского изготовления, обычно включающие в себя максимально возможный набор продуктов с претензией на универсальность их использования, упрощают цикл проектирования и могут (далеко не всегда) способствовать сокращению трудозатрат на месте монтажа.
Эти достоинства модульных теплопунктов несопоставимы с ущербом, который выражается в излишних затратах денежных средств ( 1 и полезной площади в цикле строительства и, в особенности, в затратах излишней энергии в цикле эксплуатации. Тепловой пункт жилого дома должен быть конструктивно простым, легко управляемым и энергетически эффективным. Те, кто стремится запроектировать такой теплопункт, могут воспользоваться проверенными практикой рекомендациями.
Теплообменники со сверхвысокой плотностью теплового потока
Эффективные отечественные кожухотрубные аппараты ТТАИ со сверхвысокой плотностью теплового потока выпускаются предприятием «Теплообмен» в г. Севастополе. Эти аппараты по всем техническим и экономическим показателям не только не уступают лучшим импортным образцам разборных пластинчатых теплообменников, но и заметно превосходят их. Более ста теплообменников ТТАИ эффективно работают в десятках киевских теплопунктах, их надежность подтверждена многолетней практикой эксплуатации, а основные показатели эфф. превосходят соответствующие показатели лучших зарубежных образцов теплообменных аппаратов. Теплообменники ТТАИ компактнее импортных в 1,5-2,5 раза, легче их в 6-12 раз и дешевле на 30-40 %.
Теплообменные аппараты ТТАИ, поражающие своею необыкновенной компактностью и удивительной легкостью, придают тепловым пунктам, в которых они применяются, признаки логической завершенности, просторности и простоты, присущие только самым совершенным изделиям. В отличие от пластинчатых аппаратов они располагаются на стенах теплопункта и не занимают места в плане, оставляя свободной площадь, с которой удобно обслуживать оборудование и приборы автоматики. На 12 показано, как применяя аппараты ТТАИ, можно свободно расположить все оборудование теплового пункта на участке стены длиной всего 6,5 м.
Подробные сведения об аппаратах ТТАИ и особенностях их применения изложены в Рекомендациях [8]. Приготовление теплоносителя
Традиционные для современных ИТП технические решения приготовления теплоносителя для систем отопления предполагают две возможности:
устройство независимого от тепловой сети контура циркуляции с подогревом теплоносителя в регулируемом теплообменнике;
зависимое от тепловой сети присоединение системы отопления с циркуляционным насосом и регулируемым смешением.
В дополнение к этим двум возможностям рациональные теплопункты используют так же три:
устройство ступенчатой регенерации теплоносителя при зависимом присоединении системы отопления к тепловой сетис позиционным количественным регулированием;
полузависимое от тепловой сети присоединение двухзонной системы отопления с пропорциональным или позиционным количественным регулированием;
зависимое от тепловой сети непосредственное или через элеватор присоединение однотрубной системы отопления вспомогательных помещений с позиционным количественным регулированием.
В отличие от систем отопления со ступенчатой регенерацией теплоты (СРТ), широко применявшихся в конце 80-х годов, в современной системе СРТ должно быть две подсистемы примерно одинаковой тепловой мощности и один регенератор теплоты (РТ) ( 1 .
Система отопления СРТ должна быть однотрубной. Этим определяется ее гидравлическая устойчивость и неподверженность разбалансированию в результате несанкционированного вмешательства в ее работу. Современные однотрубные системы — это не только вертикальные системы с термостатическими клапанами на радиаторных узлах с замыкающими участками, но и горизонтальные при скрытой в подготовке пола подводке и фирменными подключениями к радиатору посредством специальной гарнитуры ( 1 .
Здания повышенной этажности проектируются с системами отопления, разделенными на две зоны, — верхнюю и нижнюю.
Обычно в таких случаях устраивают две системы отопления, каждая из которых имеет свою насосную группу, теплообменник и систему подпитки с закрытым компенсатором объема. Вся эта техника занимает немало места, она стоит недешево и требует для своей работы много энергии.
Если применить принцип последовательного соединения систем, использованный в системах СРТ, можно выполнить теплопункт компактно, энергетически эффективно и недорого, присоединив систему отопления к теплосети по полузависимой схеме ( 1 . При этом мощности насосов сокращаются вдвое, а поверхности теплообмена втрое по сравнению с традиционным решением, когда обе зоны присоединяются к тепловой сети по независимой схеме.
На 16 показан габаритный чертеж узла регенерации 22-этажного жилого дома. Регенератор тепла РТ установлен непосредственно над циркуляционным насосом. Узел включает в себя фильтр, контрольно-измерительные приборы и ручные балансировочные вентили, посредством которых можно произвести наладку гидравлического и теплового режима каждого циркуляционного контура.
Однотрубные системы отопления встроенных помещений жилого дома, занимающих обычно нижние этажи здания, могут проектироваться с элеваторным присоединением к тепловой сети.
Позиционное регулирование отопительных систем капитальных зданий, обладающих высокой тепловой инерцией, следует рассматривать как эффективный и вполне комфортный технический прием. Натурными исследованиями безусловно доказано, что самые резкие колебания расходов теплоносителя в таких системах не приводят к заметным возмущениям температурных режимов в отапливаемых помещениях.
Регулирование с использованием позиционных регуляторов КИАРМ успешно применяется не только в элеваторных системах (разд. 2.2.3. , но и в системах СРТ, и в зависимых и независимых системах с насосной циркуляцией ( 1 .
Во всех схемах позиционного регулирования имеется обводной клапан с балансировочным вентилем, посредством которого настраивается расход теплоносителя по обводной вокруг регулирующего клапана линии. По опыту эксплуатации этот расход должен составлять от 10 до 15 % в системах с элеватором и СРТ, а в системах с циркуляционным насосом (включая схему в, на 1 — от 50 до 60 %.
Позиционные регуляторы перед элеваторами рекомендуется устанавливать при реконструкции тепловых пунктов, в которых эти элеваторы работали прежде. В этом случае модернизация узла приготовления теплоносителя сводится к установке перед существующим элеватором позиционного регулятора, и экономический эффект такой модернизации будет достигнут ценою минимальных затрат, которые обычно окупаются на протяжении одного отопительного периода. Именно такое техническое решение открывает реальный путь к быстрому и полномасштабному энергосбережению в коммунальной теплоэнергетике. Подпитка независимых контуров циркуляции
Независимые контуры циркуляции систем отопления обычно выполняются с расширительным сосудом, который нужен для того, чтобы поддерживать в контуре нужное давление и компенсировать изменения объема воды при ее температурном расширении или сжатии. Расширительные сосуды закрытого типа, применяющиеся теперь в новом строительстве, выполняют свои функции с трудом, а надежность узлов присоединения с такими сосудами оставляет желать лучшего. Давление в системе отопления с закрытыми сосудами постоянно колеблется, и только при правильном их выборе и надежной работе автоматики системы подпитки удается ограничить колебания давления, хотя и в желаемом, но все же в достаточно широком диапазоне.
На 18 показаны четыре схемы узла подпитки, каждой из которых соответствует показанный справа от нее условный пьезометрический график тепловой сети в точке подключения здания, показанного в виде вытянутого прямоугольника.
В схеме А имеется ручной вентиль 8, который открывают при заполнении системы отопления водой. На обводной вокруг вентиля 8 линии, на которой не должно быть никакой запорной арматуры, устанавливают дроссельную шайбу 9.
После того, как система отопления заполнена водой, вентиль 8 закрывают. При температурном расширении воды ее избыток удаляется через отверстие (диаметром 2 мм) дроссельной шайбы 9 в тепловую сеть, а при температурном сжатии или в результате утечек из системы отопления вода из тепловой сети проникнет в систему через ту же шайбу.
Схема А будет надежно работать при условии, что давление в обратном трубопроводе тепловой сети больше статического давления (P2 > PCT), как это показано на пьезометрическом графике.
Схема Б с клапаном подпора 10 на обратном трубопроводе должна применяться в том случае, когда статическое давление столба воды, заполняющей отопительную систему, превышает давление в обратном трубопроводе тепловой сети (P2 < PCT). Клапан 10, поддерживая до себя давление Р3, равное PCT, поднимет давление в обратном трубопроводе на величину P, и узел подпитки, сможет работать в режиме, описанном для схемы А.
Схема В найдет применение там, где статическое давление превышает давление в обратном трубопроводе настолько, что клапан подпора установить невозможно или нецелесообразно, потому что он будет препятствовать нормальной работе системы теплоснабжения. В этом случае, поскольку P1 > PCT, можно организовать подпитку из подающего трубопровода теплосети. Нужно только исключить принцип. возможность (пусть даже теоретическую) подачи в систему перегретой воды из тепловой сети. С этой целью на линии подпитки установлен теплообменник 12.
И только в тех редких случаях, когда статическое давление в системе отопления превышает давление в подающем трубопроводе тепловой сети (P1 < PCT), приходится применять схему Г с подпиточным насосом 12, нагнетающим воду в систему из обратного трубопровода теплосети, закрытым расширительным сосудом 13, компенсирующим температурные приращения объема воды, предохранительным клапаном 14, защищающим систему отопления от повышенного давления, и автоматической системой поддержания нужного давления с датчиком давления 15, по команде которого должен открыться электрический клапан 16 и включиться насос 11.
Задача пятая. Давление в обратном трубопроводе тепловой сети на вводе в здание с независимой системой отопления высотою (от нижней до верхней точки) 40 метров равно 0,35 МПа. Определить на какое давление должен быть настроен регулятор прямого действия «до себя» (клапан подпора) и какой при этом будет перепад давлений на этом клапане, чтобы система отопления могла работать по схеме Б ( 1 без расширительного сосуда и подпиточных насосов.
Для того, чтобы избежать вакуума в самой высокой точке системы, избыточное давление в этой точке должно быть не менее 5 м.в.ст. На уровне теплового пункта здания в самой низкой точке системы этому давлению будет соответствовать давление, равное 5 + 40 = 45 м.в.ст. или 0,45 МПа. При этом перепад давлений на клапане подпора составит 0,45 - 0,35 = 0,1 МПа или 1 бар.
В теплопункте без подпиточных насосов и расширительных сосудов не будет расходоваться электрическая энергия на подпитку. Но это не главное его преимущество. Он будет компактнее, дешевле и надежнее, потому что чем меньше в ИТП сложной техники и автоматики, тем более вероятна его безотказная работа. Теплообменник в роли побудителя циркуляции
С помощью теплообменников ТТАИ (см. разд. 3. возможно организовать удовлетворительную естественную циркуляцию в системе горячего водоснабжения многоэтажного жилого дома без дополнительных затрат. Для этого надо слегка изменить конфигурацию теплообменника ТТАИР*, добавив ему дополнительный пятый патрубок. На 19 показано, какую роль играет этот патрубок. Модифицированный теплообменник ТТАИР может работать в двух режимах, — в режиме циркуляции ( 19, а) и в режиме пикового ( 19, б) водоразбора. Возникновение этих режимов удобно проследить, рассматривая схему системы горячего водоснабжения дома, в котором эти режимы исследовались.
На 20 представлена схема двухзонной системы горячего водоснабжения точечного многоэтажного жилого дома, в которой циркуляция обеспечивается без циркуляционного насоса, а теплообменник ТТАИ выполняет роль побудителя циркуляции. Система ГВС за пределами теплового пункта не отличается от обычной. Горячая вода приготавливается отдельно для каждой зоны. Главный стояк Т3 подает горячую воду в верхнюю часть зоны, где она распределяется по водоразборным стоякам, которые в нижней части зоны объединяются циркуляционным трубопроводом Т4, опускающимся в тепловой пункт.
Режим циркуляции возникает при отсутствии водоразбора или при незначительном расходе горячей воды, когда сопротивление трению при движении нагреваемой воды на участке межтрубной полости м. близлежащими патрубками, обозначенными на 19, а, Т3 и Т4 не превышает величины естественного давления в замкнутом циркуляционном контуре. При работе в этом режиме циркулирующая при естественном давлении вода подогревается в этом участке межтрубной полости и устремляется по подающему трубопроводу горячего водоснабжения к водоразборным кранам.
Пиковый режим наступает при увеличении расхода горячей воды в системе до значений, при которых величина гидравлических потерь на участке между патрубками, одинаково обозначенными Т3 на 19, б, превысит величину естественного давления. В этом режиме подогретая в водоподогревателе вода устремляется к водоразборным кранам через оба патрубка. Так как эти патрубки расположены рядом, температура воды, входящей в систему через подающий и циркуляционный трубопроводы, будут близкими по значению.
Испытания системы показали, что температура в циркуляционном трубопроводе не опускалась ниже 40 °C при температуре в подающем трубопроводе 57 °C. Применение модифицированного теплообменника ТТАИ дает принцип. возможность обходиться без циркуляционного насоса и не расходовать электроэнергию, повысить надежность системы и улучшить ее температурный режим в часы пик, сократить расход тепла на циркуляцию в ночное время и уменьшить потребление энергии повысительным водопроводным насосом. Использование альтернативных источников тепловой энергии
Электрическую энергию для теплоснабжения, как правило, применять не следует, потому что на выработку одного киловатта электрической мощности на самой совершенной электростанции расходуется в 2-2,5 раза больше топлива, чем нужно для производства одного киловатта тепловой мощности в самой плохом котле.
Вместе с тем, в некоторых случаях использовать электроэнергию для выработки тепла целесообразно.
4. Приготовление пищи
Количество тепла, используемого для приготовления пищи на газовой плите, намного превышает реальную потребность, и значительная часть энергии расходуется на нагревание воздуха в кухне. Кроме того, много газа вытекает через неплотности трубопроводов газоснабжения, которые прокладываются открыто по фасадным стенам жилых домов, где трудно выявить очаги коррозии. Современные электрические плиты практически всю энергию передают без потерь емкостям, в которых готовится пища. Кроме того, расходуемая на приготовление пищи электрическая энергия фиксируется электросчетчиками, что стимулирует ее рациональное потребление.
Применение электрической энергии для приготовления пищи исключает принцип. возможность отравления жителей угарным газом, не способствует образованию углекислоты и водяных паров, что улучшает гигиенический режим квартир. Взрывы метана в электрифицированных кухнях станут невозможными.
Этими факторами, а также бесперспективностью природного газа в будущем определяется рекомендация отказаться от использования газовых плит при проектировании жилых домов любой этажности.
4. Полотенцесушители
Полотенцесушители, присоединенные к системе горячего водоснабжения, греют постоянно, в то время как потребность в обогреве ванной комнаты или в просушивании вещей возникает периодически. Электрический полотенцесушитель будет включаться жителями по мере необходимости, и в течение большей части времени он будет отключен. Электроэнергия для обогрева будет учитываться электросчетчиком и расходоваться рационально.
Система горячего водоснабжения, не обремененная полотенцесушителями, будет потреблять за сутки на 10-15% меньше тепловой энергии, уменьшится мощность циркуляционных насосов горячего водоснабжения, а циркуляционные трубопроводы будут смонтированы из труб меньшего диаметра.
При проектировании новых зданий рекомендуется по согласованию с заказчиками проектов полотенцесушители, присоединенные к системам горячего водоснабжения или отопления не устанавливать, предусматривая принцип. возможность применения электрических полотенцесушителей. В ванных комнатах и в совмещенных санузлах, примыкающих к наружным стенам, кроме электрических полотенцесушителей должны проектироваться отопительные приборы, присоединенные к системе отопления.
4. Ночные потребители электрической энергии
4.1. Особенности ночного потребления электроэнергии
Ночью большая часть потребителей электроэнергии отключается, в то время как крупные электрогенераторы, особенно на ядерных реакторах, должны работать круглосуточно без остановки. Поэтому энергосистемы стимулируют ночное потребление электроэнергии посредством льготного тарифа, который действует от 23 до 6 часов.
В отличие от других энергетических циклов, эффективность которых может быть оценена вполне точно, потому что при такой оценке используются физически точные критерии, эффективность цикла ночного потребления энергии изначально не определенна, поскольку она зависит от ночных тарифов, не имеющих никакого отношения к физике. Ориентируясь при выборе источника тепла на ночные тарифы на электроэнергию, необходимо иметь в виду, что тарифы эти могут со временем повышаться. Повышение ночных тарифов может произойти, например, после сооружения гидроаккумулирующей электростанции. Сооружение нескольких крупных зданий с теплоаккумулирующим отоплением может снять остроту ситуации с ночными провалами графика электропотребления, что повлечет за собой очередное повышение ночных тарифов. После появления электромобилей ночные тарифы вообще будут отменены. Вероятно, это произойдет нескоро, но все - таки и жилые дома строятся на века. Вместе с тем, пока ночные тарифы действуют, их надо использовать, подключая к сетям электроснабжения различного рода электронагреватели.
4.1. Квартирные емкостные водонагреватели
Применение квартирных емкостных электрических водонагревателей имеет много преимуществ по сравнению с централизованной системой горячего водоснабжения. Главное из них — сокращение потребления горячей воды. В Украине все еще действует изобильная норма потребления жителями горячей воды — 130 литров на человека в сутки при приготовлении горячей воды в тепловом пункте. Эта чрезмерная норма не намного превышает фактическое потребление, в то время как норма суточного потребления воды, подогревающейся в квартирных газовых колонках, составляет всего 85 литров на человека. В европейских странах действуют так же более скудные нормы.
Можно ожидать, что при подогреве воды в электрических водонагревателях каждый житель будет расходовать не более 70 литров в сутки. В этом случае, используя ночной тариф, можно понизить уровень платежей за горячую воду по сравнению с централизованной подачей.
Задача шестая. Семья из четырех человек оплачивает ежемесячные счета за централизованную подачу горячей воды на сумму 48 грн. Требуется оценивать возможные затраты семьи после установки квартирного емкостного электрического водонагревателя, потребляющего электроэнергию по ночному тарифу, который установлен на уровне 30 % от обычного и составляет 0,047 грн./(кВт . ч).
Суточное потребление горячей воды, подогретой в электрическом водонагревателе, не превысит 70 литров на человека или 280 литров на всю семью. Для того, чтобы подогреть столько воды на 50 °С потребуется 280 . 50/860 = 16,3 кВт . часа электрической энергии в сутки. В течение месяца электрический счетчик насчитает 16,3 . 30 = 489 кВт . часов, а сумма платежа за горячую воду составит 489 . 0,047 = 23 грн. сумму платежа можно сократить на 25 грн./месяц.
Квартирный электрический водонагреватель будет выгоден, даже если ночной тариф будет установлен на уровне 50 % от обычного. Поэтому при проектировании нового жилого дома этот вариант рекомендуется предложить заказчику, который сможет оценивать предложение с учетом сопоставления стоимостей квартирных водонагревателей и централизованной системы горячего водоснабжения. Нужно при этом иметь в виду, что для возможности использования ночного тарифа в квартирах должны устанавливаться более дорогие электросчетчики.
При установке одного миллиона квартирных электрических водонагревателей можно сократить потребность в природном газе примерно на один млрд м3/год.
4.1. Ночные электрокотлы
Можно сэкономить природный газ и деньги жителей, если в дополнение к обычному оборудованию газовой котельной или теплового пункта установить электрокотел для работы ночью по льготному тарифу.
Задача седьмая. Крышная газовая котельная жилого дома тепловой мощностью 200 кВт потребляет 60 тыс. м3 природного газа в год, в том числе 14 тыс. м3 в ночные часы. Требуется оценить целесообразность установки в котельной дополнительного электрокотла для работы в ночное время. Природный газ отпускается по цене 105 долларов за 1000 м3, а электроэнергия — по тарифу, который установлен на уровне 30 % от обычного и составляет 0,047 грн./(кВт . ч).
При сжигании 14 тыс. м3 природного газа с теплотворной способностью 8000 ккал/м3 в современных котлах, k полезного действия которых не ниже 92 %, в систему теплоснабжения жилого дома поступает 14000 . 8000 . 0,92 = 103 . 106 ккал. Для выработки такого количества тепловой энергии в электрокотле нужно израсходовать 103 . 106/860 = 120 тыс. кВт . часов электроэнергии. При оплате этого количества по ночному тарифу сумма платежей составит 120 . 103 . 0,047 = 5640 грн./год. Стоимость платежей за природный газ при валютном курсе 1 USD = 5,05 грн. составила бы 14 . 105 . 5,05 = 7423 грн.
Задача восьмая. Тепловой пункт здания мощностью 800 кВт потребляет 1500 Гкал/час в год, в том числе 400 Гкал в ночные часы. Требуется оценивать целесообразность установки в ИТП электрокотла для работы в ночное время. Тепловая энергия отпускается по цене 90 грн. за 1 Гкал, а электроэнергия — по тарифу, который установлен на уровне 30 % от обычного и составляет 0,047 грн./кВт . ч. При выработке 400 Гкал в электрокотле будет израсходовано 400 . 106/860 = 465 . 103 кВт . часов, а сумма платежей составит 465 . 103 . 0,047 = 21850 грн. Стоимость платежей за тепловую энергию составит 90 . 400 = 36000 грн. Экономия составит 36000 - 21850 = 14150 грн./год.
Примеры показывают, что при тарифах, действовавших в начале 2006 года, применение ночных электрокотлов бесспорно выгодно. Еще выгоднее это будет , когда природный газ начнут отпускать по мировым ценам, а ко времени, когда газ исчезнет из газопроводов, электрокотлы, загодя установленные в газовых котельных и тепловых пунктах, присоединенных к централизованным системам теплоснабжения от газовых котельных, послужат смягчению кризисной ситуации. Нужно лишь обеспечить непринцип. возможность их включения днем, чтобы исключить аварии в системах электроснабжения. При установке ночных электрокотлов мощностью 1 млн. кВт можно сократить потребность в природном газе на 250 млн. м3/год.
4.1. Теплоаккумулирующий пол с кабельным подогревом
Установлено [9], что тепловая инерция должным образом устроенного пола при кабельном его подогреве в течение семи ночных часов может оказаться достаточной для круглосуточного отопления помещения, температура которого при этом будет колебаться в допустимых диапазонах. Колебания температур в каждом помещении должны быть рассчитаны в цикле проектирования.
Расчетами должно быть также установлено, что температура поверхности пола к 6 часам утра не превысит нормативного уровня 27 °С. Рассеянная энергия, преобразованная в тепловых насосах
4. Роль тепловых насосов в энергетике ближайших лет
В результате быстрого и для множественных неожиданного превращения природного газа в топливо дорогое и ненадежное складывается новая энергетическая ситуация. общемировая стоимость на природный газ в течение первых пяти лет XXI века удвоилась и продолжает стремительно расти, что объективно свидетельствует об ограниченности его запасов в недрах планеты. После того, как его стоимость вырастет до уровня 350 долларов за 1000 м3, его покупать для целей теплоснабжения в Украине никто не станет, потому что газ станет дороже электроэнергии. Системы централизованного теплоснабжения придется переводить на уголь, торф и биомассу. Жилые дома, находящиеся вне этих систем, смогут обогреваться только электрической энергией, поскольку перспектива возвращения к дровяным и угольным квартирным топкам ни у кого не вызывает энтузиазма. Электроэнергии станет недостаточно, она станет так же дороже.
В этой ситуации единственной экономически приемлемой альтернативой станут тепловые насосы, использующие рассеянную энергию окружающей среды и тепловых отходов.
4. k преобразования
Для привода компрессионных* тепловых насосов используется электроэнергия. Мощность электропривода N связана с тепловой мощностью Q теплового насоса зависимостью:
где — k преобразования теплового насоса.
В компрессионных тепловых насосах, так же как и в холодильных машинах, используется обратный круговой цикл со сжатием холодильного агента в компрессоре, его конденсацией в конденсаторе и кипением в испарителе. Величина коэффициента преобразования зависит от разности температур конденсации и кипения холодильного агента.
k преобразования тем выше, чем ниже температура конденсации и чем выше температура кипения хладагента. Поэтому системы отопления, получающие тепло от тепловых насосов, должны быть низкотемпературными, а ист. рассеянного тепла должен иметь максимально возможную температуру.
Ориентировочные значения коэффициентов преобразования компрессионных тепловых насосов, передающих теплоту от жидкого теплоносителя в испарителе к жидкому теплоносителю в конденсаторе, приведены в табл. 3.
Задача девятая. Для низкотемпературной системы отопления односемейного жилого дома тепловой мощностью 12 кВт с температурами теплоносителя 40-35 °С предполагается использовать тепловой насос, отнимающий теплоту грунта посредством охлажденного до температуры минус 6 °С водного раствора этиленгликоля. Определить мощность двигателя теплового насоса. По табл. 3 определяем, что k преобразования теплового насоса при температуре воды на выходе из конденсатора 40 °С не должен быть ниже значения = 3, Максимальная электрическая мощность, вычисленная по формуле 7, дает значение
k преобразования является определяющим критерием эффективности теплового насоса. Условной границей энергетической эффективности считается = При меньших значениях суммарный расход первичной энергии, затраченной на выработку электроэнергии на электростанции и на преобразование рассеянной энергии в тепловом насосе, превысит значения, характерные для традиционных генераторов тепла.
Для оценки экономической эффективности теплового насоса нужно рассчитать величины единовременных и эксплуатационных затрат для двух сопоставимых вариантов теплоснабжения.
В стремлении поднять величину коэффициента преобразования теплового насоса иногда прибегают к искусственным приемам, используя, например, теплоту воды из обратного трубопровода системы теплоснабжения. Нужно иметь ввиду, что тепловой насос только энергетически эффективен, когда он использует тепловую энергию, имеющуюся в природе, или тепло техногенного происхождения, выбрасываемое в окружающую среду.
4. Рассеянная энергия, пригодная для преобразования
4.2. Воздух
Воздух атмосферы легко доступен, и энергия его безгранична, но температурный уровень этой энергии недостаточен для ее эффективного использования в отопительных тепловых насосах в климатических условиях Украины. Исключением можно считать южный берег Крыма, где воздушные конденсаторы реверсивных холодильных машин систем кондиционирования могут в зимний период при температуре до минус 10 °С выполнять функции испарителей, отнимая энергию от наружного воздуха. На остальной территории Украины воздух атмосферы можно использовать в летнее время в качестве источника тепла для системы горячего водоснабжения.
На 21 представлена схема теплового пункта общежития аспирантов Киев ЗНИИЭП, где с 1998 года [10] вода зимой подогревается в водоподогревателях, присоединенных к тепловой сети, а летом — в тепловом насосе.
В зимний период теплоноситель поступает из тепловой сети, а вода для системы горячего водоснабжения подогревается в двухступенчатом водоподогревателе Подогретая вода равномерно накапливается в баках-аккумуляторах 7, откуда она поступает в систему 3 соответственно потребности.
В летний период система горячего водоснабжения полностью отключена от тепловой сети, и в качестве источника теплоты используется тепловой насос Нагреваемая в конденсаторе теплового насоса вода постоянно циркулирует м. конденсатором и баками аккумуляторами, в то время как в контуре испарителя теплового насоса циркулирует вода, подогретая в атмосферном теплоприемнике 8, установленном на кровле.
При температуре наружного воздуха +25 °С тепловой насос подогревает воду до +50 °С, вырабатывая 25,5 кВт тепловой энергии при потребляемой мощности 6,2 кВт. k преобразования в этом режиме равен 4, Тепловой насос эксплуатируется с конца мая до начала сентября при среднем за этот период коэффициенте преобразования около 3, принцип. возможность накопления тепла в закрытых баках-аккумуляторах позволяет тепловому насосу относительно небольшой мощности обеспечить летние потребности в горячей воде 68-квартирного общежития с душами в каждой квартире.
Литература
ДБН В2.2-15-200 Жилые здания. Основные положения.
СНиП 2.04.05-9 Отопление, вентиляция и кондиционирование, с изм. 1 и 2.
СНиП II-3-7 Строительная техника, с изм. 1.
Пособие по проектированию систем водяного отопления к СНиП 2.04.05-9 Отопление, вентиляция и кондиционирование. — изд. КИЕВЗНИИЭП. — 2001.
Альбом рекомендаций по применению современного эффективного оборудования в системах отопления и горячего водоснабжения зданий при централизованном теплоснабжении. — изд. КИЕВ-ЗНИИЭП. — 2003.
Гершкович В.Ф. Почему не состоялось энергосбережение // Новости теплоснабжения. — Москва. — 200 — № 7 (4 .
СНиП 2.04.01-8 Внутренний водопровод и канализация, с изм. 1.
Рекомендации по применению теплообменников ТТАИ в тепловых пунктах жилых и общественных зданий. — Изд. КиевЗНИИЭП. — 2005.
Источник: http://www.c-o-k.com.ua/content
 Тепловычислитель СПТ961М. Рабочая группа по Стратегии развития ТЭК. Опыт разработки энергоэффективных систем вентиляции для жилых домов. Энергетический WEB. На главную Энергетические ресурсы 0.0092 |