В качестве базового проектного решения выбран “Проект жилых крупнопанельных домов и блок секций серии 111355.МО”, разработанный 53 Центральным проектным институтом Министерства Обороны России и являющимся в настоящее время по своим энергосберегающим показателям наиболее перспективным для Московского жилищного строительства. Внедрение разрабатываемого проекта осуществляется на экспериментальном семнадцатиэтажном пятисекционном жилом доме общей площадью 25000 м2 серии 111355.МО. Строительство здания будет осуществлено силами Министерства Обороны России в 2000 году в микрорайоне Никулино2 Москвы.

Перечень основных энергосберегающих решений, реализуемых на жилом доме в Никулино2:

Двухтрубная горизонтальная поквартирная система отопления с теплосчетчиком, установленным на лестничной площадке, с термостатическими вентилями на каждом отопительном приборе, обеспечивающая принцип. возможность поквартирного учета и регулирования расхода тепловой энергии и индивидуального регулирования температуры воздуха в помещениях. Поквартирная механическая приточновытяжная система вентиляции с рекуперативными теплообменниками для утилизации тепла удаляемого вентиляционного воздуха, обеспечивающая нормативный воздухообмен при установке герметичных окон. Теплонасосная система горячего водоснабжения, использующая тепло грунта и утилизацию тепла сточных вод и удаляемого вентиляционного воздуха. Компьютерная система управления и учета теплоэнергоснабжения дома, работа которой основана на математическом моделировании теплового баланса с учетом фактического энергетического воздействия наружного климата и внутренних тепловыделений. Наружные ограждающие конструкции с повышенной теплозащитой. Частотнорегулируемый электропривод насосов горячего водоснабжения. Энергоэффективные отопительные и осветительные приборы, водоразборная арматура и трубопроводы. Здесь мы публикуем технические решения по схемам отопления и горячего водоснабжения. Информация о других энергосберегающих решениях будет опубликована в следующих номерах журнала.

Система отопления
Поквартирные системы отопления в многоэтажных жилых домах – это новый вид инженерных систем в нашей стране. Поквартирные системы отопления – это такие системы, которые могут управляться обитателями отдельной квартиры, без изменения теплового режима соседних помещений и обеспечивать поквартирный учет расхода тепловой энергии. Это попытка одновременного решения двух противоречивых задач – повышения тепловой комфортности жилища и энергосбережения. Актуальность решения этой задачи осознают и проектировщики, и строители, и муниципальные службы, и даже политики, ратуя за жилищнокоммунальную реформу.

Для того, чтобы сравнительно просто организовать поквартирный учет тепла, необходимо обеспечить один ввод в квартиру подающего и обратного трубопроводов и присоединить к ним все отопительные приборы, размещенные в квартире. Наиболее распространены две схемы поквартирного отопления: “лучевая” и “периметральная” ( 1 и .

Лучевая схема реализуется с помощью металлополимерных труб или полимерных, укладываемых в стяжку “чистого” пола. Каждый из отопительных приборов присоединяется к подающему и обратному коллекторам (манифолдам) и регулируется автономно. В периметральной схеме отопительные приборы гидравлически более зависимы, но эта схема требует меньшего количества труб и обладает лучшей ремонтопригодностью.

В периметральной схеме трубы, укладываются в лотках и могут обслуживаться. В этом случае могут быть использованы не только металлополимерные (полимерные) трубы, но и обыкновенные стальные. Независимость развязки трубопроводов от других квартир предполагает принцип. возможность индивидуального проектирования отопления каждой отдельной квартиры. Можно отказаться от уродующих интерьер стояков и горизонтальных подводок. в современных радиаторах используется нижний присоединительный узел к прибору – мультифлекс. Современные отопительные приборы стали предметом интерьера и могут устанавливаться на внутренних стенах.

На лестничной площадке поквартирные вводы объединяются коллекторами в приборном щите с поквартирными счетчиками тепла ( . Приборные щиты всех этажей объединены подающим и обратными стояками системы отопления, связанными через домовой узел учета тепла с теплосетью.

Проекты поквартирных систем отопления для многоэтажных жилых домов в ЮгоЗападном и СевероВосточном округах Москвы разрабатываются АО ЦНИИпромзданий и НПО “ТЕРМЭК”.

Попытаемся рассмотреть пути решения проблем, препятствующих широкому внедрению поквартирного отопления.

Действительно точный учет тепловой энергии Q требует применения дорогостоящих приборов, интегрирующих во времени произведение расхода теплоносителя Gi на перепад температуры воды в подающем tподi и обратном tобрi трубопроводах системы отопления.

Такие приборы нуждаются в квалифицированном техническом обслуживании и периодической поверке. Эти затраты можно сократить в десятки раз, если перейти на упрощенную схему учета тепловой энергии для квартир. Сущность схемы состоит в том, что на весь дом ставится один интегрирующий теплосчетчик, определяющий точный расход тепловой энергии домом. В каждой квартире на подающем трубопроводе системы отопления ставится самый простой горячеводный водомер. Расчет потребления тепла каждой отдельной квартирой пропорционален произведению показания водомера на средний по дому перепад температуры в подающей и обратной магистралях. Очевидно, что реальное потребление тепла в квартире будет отличаться от расчетного тем больше, чем больше отклонения температуры в обратных трубопроводах отдельной квартиры и в целом по дому. Величина этого отклонения приближенно равна:

Анализ показал, что в большинстве случаев это отклонение не превышает ±10%. При этом наблюдается интересная деталь. Это отклонение работает в пользу сберегающих энергию жильцов и против расточительных домовладельцев. Так стоимость единицы тепловой энергии для отдельной квартиры, в которой температура воздуха поддерживается на 23 0С выше, чем в среднем по дому, примерно на 5% выше среднего значения.

технически проблему поквартирного учета тепла решить можно, и в нашей стране имеются достаточные производственные мощности для изготовления необходимого количества горячеводных водомеров.

Другой вопрос – где взять деньги при увеличении стоимости отопления за счет поквартирной разводки и учета тепла. Поквартирная система отопления предоставляет большие возможности теплового комфорта и такая квартира в коммерческом строительстве должна стоить дороже. В муниципальном жилье 80% коммунальных услуг, в том числе отопление, дотируется из бюджета. Если мы меньше потребляем тепла за счет энергосберегающих современных технологий, то соответственно и снижается доля дотаций и именно эти деньги следует направлять в том числе на поквартирные системы отопления. И не только поэтому. Несмотря на значительные государственные затраты на повышение уровня теплозащиты стен и окон, мы продолжаем через открытые форточки топить улицу. Только прямая связь семейного бюджета с показателями теплосчетчика сделает эффективными вложения в энергосбережение.

Статистика показала, что вне зависимости от того, где люди живут – в Америке, Европе, Азии установка теплосчетчиков без какихлибо других мероприятий приводит к снижению теплопотребления на 1020%.

Теплосчетчик не является энергосберегающим прибором, но весьма эффективным побудителем бережливого отношения людей к теплу.

ТЕПЛОНАСОСНАЯ СИСТЕМА ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ
В настоящее время технологии теплоснабжения, использующие тепловые насосы, применяются практически во всех развитых странах мира. Все широкомасштабные программы по экономичности энергии, реализуемые за рубежом, предусматривают их широкое применение. Преимущества технологий, использующих тепловые насосы в сравнении с их традиционными аналогами, связаны не только со значительными сокращениями затрат энергии в системах жизнеобеспечения зданий и сооружений, но и с их экологической чистотой, и новыми возможностями в области повышения степени автономности систем теплоснабжения. По всей видимости, в недалеком будущем именно эти качества будут иметь определяющее значение в формировании конкурентной ситуации на отечественном рынке теплогенерирующего оборудования.

Технические задания на проектирование отопления, вентиляции и горячего водоснабжения энергоэффективного жилого дома в Никулино2 предполагает в настоящее время использование теплонасосной установки только для системы горячего водоснабжения. Вместе с тем, продолжаются исследования по возможности использования теплонасосной установки для системы отопления этого дома. Учитывая, что такая принцип. возможность представляет интерес для широкого круга специалистов, авторы сочли целесообразным изложить здесь технические решения возможности использования теплонасосной установки не только для системы горячего водоснабжения, но также для системы отопления.

Теплонасосная система горячего водоснабжения экспериментального жилого дома состоит из следующих основных элементов:

парокомпрессионные теплонасосные установки (ТНУ);

бакиаккумуляторы горячей воды;

системы сбора низкопотенциальной тепловой энергии грунта и тепла удаляемого вентиляционного воздуха.

Принципиальная технологическая схема утилизации теплоты на горячее водоснабжение представлена на 4.

Система сбора низкопотенциальной тепловой энергии грунта (ССНТГ). изучим более подробно теплофизические циклы, протекающие в ССНТГ или системе теплосбора в период ее эксплуатации и оказывающие существенное влияние на формирование теплового режима как ССНТГ, так и окружающего грунтового массива.

При эксплуатации ССНТГ влага, заключенная в порах грунтового массива, находящегося в пределах зоны теплового влияния теплообменника, вследствие сезонного изменения параметров наружного климата, и под воздействием эксплуатационных нагрузок, многократно изменяет свое агрегатное состояние и в общем случае может находиться в жидкой, твердой и газообразной фазах одновременно. грунтовый массив ССНТГ, независимо от состояния, в котором он находится, представляет собой сложную трехфазную полидисперсную гетерогенную структуру, скелет которой образован огромным количеством твердых частиц разнообразной формы и величины и может быть как жестким, так и подвижным, в зависимости от того, прочно ли связаны м. собой частицы или же они отделены друг от друга веществом в подвижной фазе. Промежутки м. твердыми частицами скелета могут быть заполнены минерализованной влагой, газом и паром или тем и другим одновременно. Иначе говоря, среда, заполняющая поровое пространство твердого скелета, может находиться в различных агрегатных состояниях.

Моделирование циклов тепломассопереноса, участвующих в формировании теплового режима многокомпонентной системы, представляет собой чрезвычайно сложную задачу, поскольку требует учета и математического описания разнообразных механизмов их осуществления: теплопроводности в отдельной частице; теплопередачи от одной частицы к другой при их контакте; молекулярной теплопроводности в среде, заполняющей промежутки м. частицами; конвекции пара и влаги, содержащихся в поровом пространстве и множественных других. Строго говоря, при моделировании теплового режима ССНТГ, кроме учета механизмов осуществления в системе циклов тепломассопереноса, необходимо учитывать химикоминералогическую природу скелета, его механическую структуру, количественные соотношения фаз среды, заполняющей промежутки м. твердыми частицами скелета, и их взаимное расположение в поровом пространстве, и многие другие физикохимические параметры грунтового массива. Кроме того, к особенностям теплового режима ССНТГ, как объекта моделирования, следует отнести и, так называемую, информативную неопределенность математических моделей, описывающих подобные циклы, или, иначе говоря, отсутствие достоверной информации о воздействиях на систему окружающей среды (атмосферы, осадков, грунтового массива вне зоны теплового влияния системы и др.), и чрезвычайную сложность их аппроксимации. В самом деле, если аппроксимация воздействий на систему параметров наружного климата хотя и сложна, но все же реализуема, то проблема учета в математической модели влияния атмосферных воздействий, таких, как дождь, туман, роса и т.д., и учет влияния на грунтовый массив ССНТГ подстилающих и окружающих его слоев грунта на на данный моментшний день зачастую связана с непреодолимыми трудностями.

Определенную помощь в преодолении трудностей, возникающих на пути создания адекватных реальным физическим циклам математических моделей теплового режима грунтовых теплообменников, может оказать метод математического моделирования, разработанный в АО “ИНСОЛАРИНВЕСТ”.

В основе метода лежит понятие функции влияния сброса или потребления тепловой энергии из грунта на его естественный тепловой режим.

При построении математической модели теплового режима грунтового теплообменника рассматриваются две задачи: основная задача о нестационарном тепловом режиме теплообменника при его эксплуатации и базовая задача о естественном тепловом режиме грунтового массива. Рассмотрение разности этих задач (основная минус базовая) позволяет получить новую математическую постановку с однородными граничными условиями, в которой искомой величиной является функция влияния сброса/потребления тепловой энергии из грунта на его естественный тепловой режим, численно равная разности температур грунтового массива, наблюдающихся при эксплуатации теплообменника и в естественном состоянии. Особо следует отметить, что в граничных и начальном условиях новой модели мы получаем принцип. возможность освободиться от неизвестного начального распределения температур в грунтовом массиве ССНТГ, от необходимости аппроксимации годового хода температур наружного воздуха и интенсивности солнечной радиации, и аппроксимации других факторов, учет которых в модели, как уже отмечалось ранее, достаточно сложен. но в полученной математической модели присутствует неизвестная функция, описывающая естественный ход температур в грунтовом массиве системы теплосбора, точность задания которой существенным образом сказывается на точности реализации модели и степени ее адекватности реально протекающим в грунте физическим циклам. В общем случае для решения проблемы задания в модели естественного температурного режима грунта могут быть использованы экспериментальные данные метеослужб о годовом ходе температур грунта на различных глубинах.

Использование данного метода при построении математических моделей теплового режима ССНТГ позволяет не только обойти трудности, связанные с аппроксимацией внешних воздействий на систему, но и использовать в качестве решения базовой задачи достоверную, экспериментально полученную информацию о естественном тепловом режиме грунта. Этот факт является серьезным преимуществом данного метода в сравнении с традиционным подходом к моделированию тепловых циклов, протекающих в подобных системах, поскольку позволяет частично учесть в модели комплекс факторов: наличие грунтовых вод, их скоростной и тепловой режимы, структуру и расположение слоев грунта, тепловой фон земли, атмосферные осадки, фазовые превращения влаги в поровом пространстве, и многие другие факторы, существеннейшим образом влияющих на формирование теплового режима ССНТГ.

На основе описанного метода в ОАО ИНСОЛАРИНВЕСТ был разработан комплекс компьютерных программ, моделирующих пространственный нестационарный тепловой режим ССНТГ в цикле их многолетней эксплуатации. Проведенные с помощью этого комплекса численные эксперименты показали, что потребление тепловой энергии из грунтового массива к концу отопительного сезона вызывает вблизи регистра труб грунтового теплообменника понижение температуры грунта, которое в почвенноклиматических условиях большей части территории РФ не успевает компенсироваться в летний период года, и к началу следующего отопительного сезона грунт выходит с пониженным температурным потенциалом. Потребление тепловой энергии в течение следующего отопительного сезона вызывает дальнейшее понижение температуры грунта, и к началу третьего отопительного сезона его температурный потенциал так же больше отличается от естественного. И так далее.

Однако, как показали численные эксперименты, огибающие влияния многолетней эксплуатации грунтового теплообменника на естественный температурный режим грунта имеют ярко выраженный экспоненциальный характер, и к пятому году эксплуатации грунт выходит на новый режим, близкий к периодическому, то есть, начиная с пятого года эксплуатации, многолетнее потребление тепловой энергии из грунтового массива ССНТГ сопровождается периодическими изменениями его температуры.

при проектировании теплонасосных систем, оснащенных ССНТГ представляется необходимым учету снижения температуры грунтового массива, вызванного многолетней эксплуатацией грунтового теплообменника, и использовать в качестве расчетных значений температуры грунтового массива, ее значения ожидаемое на 5й год эксплуатации системы.

С учетом отмеченных выше положений были проведены численные эксперименты по оценке эфф. использования низкопотенциальной тепловой энергии грунта поверхностных слоев земли для горячего водоснабжения экспериментального жилого дома для условий микрорайона Никулино В качестве критерия оценки эфф. был использован k преобразования энергии теплонасосной системы горячего водоснабжения, ожидаемый на 5й год ее эксплуатации.

Проведенные численные эксперименты показали, что ожидаемый k преобразования теплонасоной установки использования тепла для горячего водоснабжения составляет 3,5.

Система сбора низкопотенциального тепла вентиляционных выбросов (ССНТВ).

ССНТВ предусматривает устройство в вытяжных вентиляционных камерах теплообменников утилизаторов, гидравлически связанных с испарителями теплонасосных установок. В этом случае обеспечивается как более глубокое охлаждение вытяжного воздуха, так и использование его тепла для получения горячей воды.

Принципиальная схема системы представлена на Из вентиляционных шахт ( вытяжной воздух собирается в коллектор и из него вентилятором прогоняется через теплообменникутилизатор ( , связанный с испарителем ТНУ промежуточным контуром, охлаждается и выбрасывается в атмосферу. Полезное тепло отводится от конденсатора ( в систему горячего водоснабжения или отопления.

На 6 представлена гидравлическая схема варианта теплового узла для теплонасосной системы теплоснабжения (отопления и горячего водоснабжения), использующей тепловые насосы.

Обратная вода из системы отопления с температурой 37 0С через фильтр ( посредством циркуляционных насосов ( поступает в собирающий коллектор (1 и оттуда в тепловые насосы ( , где подогревается до 50Є55 0С и через раздаточный коллектор (1 направляется в клапан регулятора температуры смеси и в бакиаккумуляторы ( . В аккумуляторах установлены теплообменники нагреватели ( , которые в ночное время подогревают воду до температуры 90 0С. Вода из баков подается на смешение в клапан регулятора температуры, а часть ее, пройдя змеевиковый теплообменник аккумулятора горячей воды ( , тоже подается в точку смешения. В систему отопления вода подается с температурой 70 0С. Система сбора низкопотенциального тепла для испарителей тепловых насосов представлена теплообменниками (1 , коллекторами сбора и раздачи хладоносителя (1 и (1 , циркуляционными насосами ( и фильтрами (1 . Горячая вода из сети, пройдя фильтры ( и ( , поступает в бакаккумулятор ( , подогревается теплообменниками нагревателями ( , после чего поступает в клапан регулятора температуры смеси (1 , где смешивается с сетевой водой и направляется в систему горячего водоснабжения здания. Представленный на 3 вариант системы теплоснабжения здания предусматривает аккумулирование тепловой энергии в ночное время. Нагрев воды теплообменниками ( может быть обеспечен как подачей тепла от ЦТП, так и за счет прямого электронагрева. В случае применения двуставочного тарифа на отпуск электроэнергии, прямой электронагрев в ночное время, экономически оказывается более целесообразным.

На 7 представлена аксонометрия возможного варианта размещения  оборудования в тепловом пункте.

В заключение необходимо отметить, что эффективность широкого применения рассматриваемых технологий отопления и горячего водоснабжения может быть достигнута только при разумном сочетании нового оборудования с эффективными решениями в области архитектуры, объемнопланировочных решений зданий, и их ограждающих конструкций и пр., полученном на основе рассмотрения комплекса: здание+ТСК как единой теплоэнергетической системы. Осуществленный на компьютерных моделях анализ техникоэкономических аспектов внедрения теплонасосных систем теплоснабжения показал, что их широкое применение в практике московского строительства должно сопровождаться пересмотром требований, предъявляемых в настоящее время существующими нормами проектирования к ограждающим конструкциям зданий, прежде всего, к экономически целесообразному уровню их теплозащиты.