Ответ: достаточно существенные перетопы в осенний и весенний периоды (а для теплых климатических зон – практически весь отопительный сезон) присущи как раз зависимой схеме присоединения. Если схема независимая, то тепловая энергия передается через теплообменник и соответствующая автоматика должна регулировать величину потребления (соблюдение температурного графика, исключающего перетопы).
В отдельных случаях, когда теплоснабжающая организация ведет себя некорректно и с ней трудно найти общий язык – регулятор может помочь избежать излишнего навязываемого объема потребления и при независимой схеме, но это - «экзотика».
Ответ: известно несколько схем, позволяющих регулировать потребление тепловой энергии зданием на нужды отопления. Наиболее часто применяется насосная схема, которая позволяет плавно регулировать потребление тепловой энергии зданием. Но внедрение такой схемы требует затрат на покупку насоса и соответствующего клапана, что при малом потреблении (соответственно и сравнительно небольших объемах экономии) будет окупаться достаточно продолжительное время. Специально для таких потребителей и был разработан наш Регулятор, который показал на практике окупаемость 1-2 месяца. Для зданий с потреблением больше 0,2 Гкал/ч традиционная насосная схема окупается в приемлемые сроки.
Ответ: установку Регулятора нужно согласовывать с теплоснабжающей организацией. Хотя прямых указаний на необходимость согласования в нормативных документах нет, большинство теплоснабжающих организаций придерживаются мнения, что любые узлы регулирования у потребителей влияют на гидравлику всей сети и поэтому требуют согласования. Справедливости ради, надо сказать, что процедура получения техусловий и согласования формальны и не требуют, как правило, много времени и сил.
Ответ: при потреблении зданием до 0,2 Гкал (и менее) расход теплоносителя составляет около 2 л/с (при скорости теплоносителя в трубе порядка 1 м/с), при таких расходах возникновение гидроудара не возможно. Если используется соленоидный клапан, регулирующий расход, то при его закрытии/открытии (где-то 2 раза в полчаса) слышен характерный щелчок. В офисных зданиях его, конечно, не слышно. Если рядом жилые помещения, то лучше использовать клапан шаровой с сервоприводом, он работает бесшумно, но его стоимость несколько выше.
Ответ: нет. Клапан будет регулировать подачу тепловой энергии кратковременным перекрыванием подающего трубопровода. Обратный трубопровод ничем не перекрывается. Именно давлением в обратном трубопроводе теплосети обеспечивает нормальную работу зависимых систем потребителей без завоздушивания.
Ответ: На каждое здание нужно ставить свой Регулятор, поскольку он рассчитывает индивидуальное потребление зданием тепловой энергии. Если подключить несколько зданий, то из-за индивидуальных особенностей одни из них будут перегреваться, а другие недогреваться. При индивидуальной установке регулятора он будет учитывать особенности конкретного здания и обеспечивать ему необходимое количество тепловой энергии для поддержания комфортной температуры в помещении.
Ответ: Регулятор настраивается очень просто: ему задается температурный график тепловой сети и температура, которую необходимо поддерживать в помещениях здания. Остальное он вычислит сам. Кроме того, если здание офисное или промышленное, можно указывать периоды, когда температура в помещениях может быть пониженной (выходные дни и ночные часы). В этом случае экономия будет еще больше. Если Регулятор подключен к сети Интернет, то настройка может быть осуществлена с любого компьютера (по логину и паролю).
Ответ: Монтаж сводится к установке клапана (на резьбовом или фланцевом соединении - операция доступная любому слесарю). Операция требующая сварки – установка гильзы в трубопровод для датчика температуры. Крепление второго датчика температуры (воздуха) на северный (желательно) фасад здания – не представляет сложности. Сам Регулятор монтируется на стену (можно в шкафчик). Если подключение к интернету через мобильную связь, то возможно потребуется вывести антенку на фасад здания.
Ответ: В качестве примера приведем данные работы регулятора в здании офиса теплоснабжающей компании в Москве. На рис. 1 виден исполнительный механизм (шаровой клапан с сервоприводом), установленный после теплосчетчика (по ходу теплоносителя). На рис. 2 представлен график температуры в подающем и обратном трубопроводе системы отопления, которые фиксировал теплосчетчик. На рис. 3. график потребления тепловой энергии зданием (данные теплосчетчика). На рис. 2 и 3 примеры работы системы диспетчеризации и учета данных, которые доступны при подключении этой услуги.
Рисунок 1. Исполнительный механизм регулятора отопления.
Рисунок 2. График температур в офисном здании после установки регулятора (по данным теплосчетчика)
Рисунок 3. Потребление тепловой энергии зданием после установки регулятора отопления (данные теплосчетчика)
Гершкович В.Ф.- к.т.н., руководитель Центра
энергосбережения, «Киев ЗНИИЭП»
Несмотря на то, что во всех городах Украины системы централизованного теплоснабжения подают в последние годы недостаточное для нормального обогрева зданий количество тепловой энергии, все еще существует возможность существенного уменьшения теплопотребления без ухудшения и без того неудовлетворительного температурного режима зданий. Эта возможность может быть реализована при оборудовании тепловых пунктов общественных зданий средствами программного уменьшения тепловой мощности в нерабочее время.
Для решения этой задачи необязательно оснащать тепловые пункты сложной зарубежной техникой. Можно использовать имеющиеся в Украине технические средства и микропроцессорные приборы, способные реализовать прерывистое отопление зданий.
После реализации программного уменьшения тепловой мощности в общественных зданиях Украины потребление природного газа сократится на 1,5 млрд. куб. м в год, что равно годовому потреблению газа всеми теплоснабжающими организациями города Киева.
Реализация полномасштабной программы модернизации тепловых пунктов общественных зданий по Украине в целом потребует 250 млн. долларов со сроком окупаемости около 2 лет.
Немного теории
Теория прерывистого отопления восходит ко временам , когда непрерывное водяное отопление было редкостью, а печи топили обычно только поутру, хотя в стужу приходилось топить и под вечер. Проблемы нестационарного теплообмена применительно к отопительным системам современных зданий также не оставались без внимания исследователей, а метод прерывистого отопления, или регулирования пропусками всегда упоминался в учебниках как возможный для применения, однако реально этот метод практически не применялся.
Если прекратить на время подачу теплоносителя в систему водяного отопления, то помещения начнут остывать. Темп остывания зависит от теплоемкости строительных конструкций, термического сопротивления наружных ограждений, температуры наружного воздуха, скорости ветра. Остывание происходит по экспоненте. Температуру воздуха в помещении t через z часов остывания можно определить по уравнению
(- z / B )
t = tn + (tвн.р - tn) e
где tn - температура наружного воздуха во время отключения системы отопления,
tвн.р - температура внутреннего воздуха перед отключением,
В - коэффициент аккумуляции тепловой энергии отапливаемым помещением. Этот коэффициент имеет размерность (час), и потому его называют еще постоянной времени помещения.
Значение коэффициента аккумуляции для
каждого здания или помещения может определяться опытным путем или расчетом. В
этой работе не ставится задача определения величин В. Для нас важно знать лишь
возможный диапазон, внутри которого находятся эти величины, с тем, чтобы,
принимая во внимание характерные значения, оценить возможности реализации
регулирования теплопотребления зданий методом периодического прерывания потока
теплоносителя. Из литературы известно, что постоянная времени для жилых и
общественных зданий массового строительства, построенных по нормативам
теплозащиты 60 - 80-х годов, находится в интервале значений 50 На рис. 1 построены кривые охлаждения
воздуха в помещениях из легких конструкций, характеризующихся
значением В 162 ч. Рисунок показывает, что при нулевой
температуре на улице воздух помещения охладится от начальной температуры + 18
ОС до + 10 ОС почти за десять часов, и примерно столько же времени потребуется
для охлаждения внутреннего воздуха до отрицательной температуры при
двадцатиградусном морозе. Резерв энергосбережения,
реально у нас пока не задействованный
В большинстве общественных зданий рабочий
день начинается в 9, а заканчивается в 18 часов. Ночью и в выходные дни там
никого нет, а отопление работает, как днем. Контроллеры, обеспечивающие программное
уменьшение тепловой мощности систем теплопотребления в нерабочее время, на
западе применяются повсеместно. Некоторое количество систем с возможностью
автоматического ночного понижения температуры смонтировано и у нас. Вместе с
тем, можно предположить, что системы эти практически не задействованы, потому
что куплены они за немалую цену богатыми заказчиками, которые не станут
экономить деньги на тепло, если при этом предполагается возможность некоторого
дискомфорта, пусть и во внеурочный час. Стоимость современного теплового пункта
со смесительными насосами системы отопления, современной регулирующей и
запорной арматурой, пластинчатыми водоподогревателями горячего водоснабжения и
автоматикой составляет от 10 до 15 тыс. долларов. Потребитель массовый (школы,
детские сады, поликлиники, клубы, проектные организации, районные и городские
администрации, различного рода конторы и пр.) не в состоянии приобрести столь
дорогое оборудование, и по этой причине возможность реализации программного
снижения теплопотребления общественных зданий массовой застройки в ближайшие
годы становится маловероятной. А между тем, другой возможности
существенно уменьшить теплопотребление существующих зданий у нас практически не
осталось. Еще недавно надежды на достижение заметной экономии топлива
связывались у нас с погодным регулированием. Предполагалось, что тепловые сети
не успевают следить за погодой и временами подают теплоноситель с более
высокой, чем нужно для отопления температурой. Теперь, после административного
понижения температурного графика тепловой сети, когда предельно высокая
температура в подающем трубопроводе уствилась на уровне 80 ОС вместо положенных
150 ОС, а фактическая продолжительность отопительного сезона сократилась на 2-3
недели по сравнению с нормативом, возможности погодного регулирования сведены
практически к нулю. Из рисунка видно, что в области
избыточного отопления расположена лишь незначительная часть общего
теплопотребления. Применительно к исследуемому зданию, для отопления которого
было израсходовано 2294 Гкал в год тепловой энергии, область избыточного
отопления вмещает в себя лишь 32,5 Гкал, что составляет только 1,4 % от общего
теплопотребления. Как видим, немного можно было бы сэкономить средствами
погодного регулирования тепловой мощности. Значительно больше можно было бы
сэкономить энергии, если бы осуществить в рассматриваемом здании программное
снижение тепловой мощности в нерабочее время. Если допустить ночное понижение
температуры помещений до + 10 ОС, то относительно этой температуры область
избыточного отопления существенно расширилась бы. Даже несмотря на
недостаточную температуру теплоносителя. Расчеты показывают, для того же
общественного здания можно было бы сэкономить 360 Гкал за отопительный сезон,
что составляет 15,7 % от годового теплопотребления (рис. 4). На рисунке зафиксированы величины
суточного, то есть суммарного дневного и ночного теплопотребления. График
показывает, что тепло можно экономить почти ежедневно, точнее еженочно. Это не
исключает однако проблем, связанных с недостаточностью дневного отопления,
вызванного низкой температурой теплоносителя. Если бы рисунок отражал величины
дневного теплопотребления, то область недостаточного отопления была бы столь же
обширна, как и на рис. 3. Эта область и на рис. 4 достаточно заметна, - она
покрывает ту зону, в которой внутренние температуры реально не превышали + 10
ОС. Тут и ночью ничего сэкономить невозможно. Динамика ночного
теплопотребления
Средняя наружная температура в течение
отопительного периода для большинства районов Украины близка к 0 ОС. Это дает
основание воспользоваться кривой охлаждения tn = 0 ОС. (рис. 1) в качестве исходной для построения
температурного графика в помещении общественного здания, отапливаемого
нестационарно с возможностью ночного понижения температуры до значения + 10 ОС
(рис. 5).
| скачать бесплатно О возможности практической реализации регулирования теплопотребления зданий методом периодического прерывания потока теплоносителя
, Гершкович В.Ф, Тепловая эффективность отопительного устройства в помещении и выбор установочной тепловой мощности системы отопления. Отопительный прибор должен компенсировать дефицит теплоты в помещении. Использование приборов той или иной конструкции и их установка в различных местах помещения не должны приводить к заметному перерасходу теплоты. Показателем, оценивающим эти свойства, является отопительный эффект прибора, который показывает отношение количества затрачиваемой прибором теплоты для создания в помещении заданных тепловых условий к расчетным потерям теплоты помещением. Считается, что наилучшим отопительным эффектом обладают панельно-лучистые приборы, установленные в верхней зоне помещения или встроенные в конструкцию потолка. Отопительный эффект таких приборов равен 0,9-0,95, т. е. теплоотдача потолочных панелей-излучателей может быть даже несколько ниже расчетных теплопотерь помещения без ухудшения комфортности внутренних условий. Отопительный эффект панели, расположенной в конструкции пола, около 1,0. Наиболее распространенные приборы - радиаторы обычно устанавливают в нишах или около поверхности наружной стены. Заприборная поверхность перегревается и через эту часть наружной стены бесполезно теряется некоторое количество теплоты. В результате отопительный эффект радиаторов оценивают величиной 1,04-1,06. В этом отношении более эффективными оказываются конвекторы, располагаемые вдоль наружной стены. Отопительный эффект, например, плинтусного конвектора около 1,03. Подоконная панель, встроенная в конструкцию наружной стены, может иметь заметные бесполезные потери теплоты и ее отопительный эффект снижается до 1,1. Отопительные приборы обычно имеют определенный шаг принятого номенклатурного ряда, который в СНиП выражают теплоотдачей, кВт, отдельного элемента прибора этого ряда. В результате в помещении устанавливают число элементов прибора, округленное в большую сторону сверх расчетной величины. Связанное с этим увеличение теплового потока от приборов рекомендуют учитывать коэффициентом β 1 , который изменяется от 1,02 до 1,13 в зависимости от изменения теплоотдачи отдельного элемента прибора от 0,12 до 0,3 кВт. Дополнительные потери теплоты отопительным прибором, установленным у наружного ограждения, учитывают коэффициентом β 2 . Его значение в зависимости от вида прибора и способа его установки у наружного ограждения изменяется от 1,02 до 1,1. Кроме потерь, связанных с размещением нагревательных приборов, в системе отопления возникают бесполезные потери теплоты трубами, встроенными в конструкции наружных ограждений, а также в тепловом пункте и других элементах системы. Определяют также дополнительные теплопотери Q тр трубами в неотапливаемых помещениях, связанные с охлаждением теплоносителя. Величина суммарных дополнительных потерь (заприборными участками наружных ограждений и теплопроводами в неотапливаемых помещениях) должна быть по СНиП не более 7% тепловой мощности системы отопления. Удельная тепловая характеристика здания и расчет потребности в теплоте на отопление по укрупненным измерителям Для теплотехнической оценки объемно-планировочных и конструктивных решений и для ориентировочного расчета теплопотерь здания пользуются показателем - удельная тепловая характеристика здания q, которая при известных теплопотерях здания равна: q = Q зд ∕
где Q зд - расчетные теплопотери через наружные ограждения всеми помещениями здания, Вт; V - объем отапливаемого здания по внешнему обмеру, м 3 , (t в – t н)- расчетная разность температуры для основных помещений здания. Величина q , Вт/(м 3 °С), определяет средние теплопотери 1 м 3 здания, отнесенные к расчетной разности температуры 1°. Ее можно определить заранее q = q 0 β t
где q 0 - эталонная удельная тепловая характеристика, соответствующая разности температур ∆t 0 =18 - (- 30)= 48 °С; β t - температурный коэффициент, учитывающий отклонение фактической расчетной разности температур от ∆t 0 Эталонная удельная тепловая характеристика может быть определена с учетом требований СНиП. Экономические показатели систем отопления Экономичность системы отопления обусловлена стоимостью материалов и оборудования, изготовления и сборки, а также эксплуатации. Показателями экономичности являются технологичность конструкции, масса элементов, затраты труда и сроки изготовления и монтажа, расходы на наладку, управление и ремонт. Технологичность конструкции включает такие реальные мероприятия, как упрощение схемы, унификация и уменьшение числа деталей, применение нормалей, удобство сборки, которые обеспечивают изготовление и монтаж с минимальными затратами времени, средств и труда. Экономический эффект выявляется при проведении технико-экономического сравнения различных проектных решений. Сравнение позволяет выбрать систему отопления, наиболее экономичную в данных конкретных условиях. При экономическом сравнении вариантов применяют следующие показатели: капитальные вложения К, эксплуатационные затраты И, продолжительность монтажных работ и эксплуатации системы отопления. Обычно используют часть этих показателей. Самым простым является сравнение систем отопления с различными приборами, но с одним видом теплоносителя и с одной схемой, так как оно делается только по капитальным вложениям. Чаще всего сопоставляют системы по капитальным вложениям и эксплуатационным затратам. Реже учитывают еще сроки монтажа и службы систем, наличие трудовых резервов. Наиболее экономичен вариант, имеющий минимальные суммарные капитальные вложения и эксплуатационные затраты. Обычно приходится сравнивать два варианта, один из которых имеет меньшие капитальные вложения, другой - меньшие эксплуатационные затраты. Так, при уменьшении диаметра труб насосной водяной системы отопления капитальные вложения уменьшаются, но увеличивается расход электроэнергии; автоматизация системы увеличивает капитальные вложения, но уменьшает эксплуатационные затраты. Экономически более эффективный вариант выявляют в подобных случаях в зависимости от срока z, лет, окупаемости дополнительных капитальных вложений. Z = (К 1 – К 2)∕ (И 1 – И 2)
Если этот срок z < z н - нормативного срока окупаемости дополнительных капитальных вложений за счет снижения эксплуатационных затрат, то целесообразно осуществить вариант с большими капитальными вложениями K 1 и меньшими средними годовыми эксплуатационными затратами И 1 . Если z > z н, то целесообразен вариант с меньшими капитальными вложениями К 2 и большей средней стоимостью эксплуатации И 2 в течение года. Нормативный срок z н окупаемости вложений в систему отопления принят равным 8,33 года (12,5 года для новой техники и энергосберегающих мероприятий) независимо от вида здания. При экономическом сопоставлении нескольких систем или вариантов системы для каждого из них находят приведенные затраты 3= (К ∕z н) +И,
и, более эффективным считают вариант, имеющий наименьшие приведенные затраты за нормативный срок окупаемости. Капитальные вложения в систему отопления осуществляются, как правило, в течение одного года. Эксплуатационные затраты ежегодно изменяются; кроме того, они зависят от срока службы как системы, так и отдельных ее элементов. Годовые эксплуатационные затраты состоят из прямых расходов на обслуживание системы отопления и амортизационных расходов И =И пр +А
где И пр - прямые эксплуатационные расходы, складывающиеся из годовых затрат на получаемую тепловую энергию (топливо), электроэнергию, заработную плату обслуживающего персонала, управление системой и текущий ремонт; А - амортизационные расходы, включающие годовые затраты на капитальный ремонт системы и отчисления на полное восстановление капитальных вложений. Отчисления на восстановление капитальных вложений связаны с нормативным сроком службы системы, определяемым исходя из сроков физического износа ее элементов: радиаторов (40 лет), водоводов (30 лет), паропроводов, центробежных насосов, клапанов (10 лет), вентиляторов, калориферов, отопительных агрегатов (8 лет), фильтров (6 лет), конденсатопроводов (4 года). Срок службы определяется не только физическим, но и моральным износом системы отопления, причем моральным износом считают потерю способности поддерживать температуру во всех обслуживаемых помещениях на требуемом уровне. Нормативный срок службы распространенных систем водяного отопления в настоящее время принимается равным 30 - 35 годам (меньший срок для конвекторов). При сопоставлении различных систем отопления соблюдают равные или хотя бы близкие эксплуатационные показатели для всех вариантов: системы должны обеспечивать выполнение санитарно-гигиенических, противопожарных и противовзрывных требований, а также должны обладать равноценной эффективностью. Срок службы систем водяного отопления, как уже известно, наибольший. Благодаря уменьшению амортизационных расходов при этом, экономии электрической и тепловой энергии сокращаются стоимость эксплуатации, а, следовательно, и приведенные затраты. Поэтому система водяного отопления обычно становится экономически более эффективной, чем система парового отопления. Различие в тепловом комфорте, создаваемом в помещениях при сравниваемых системах отопления, учитывают изменением срока службы и степени использования площади помещений. Для системы, обеспечивающей более комфортные условия, увеличивают расчетный срок службы на 5-10 лет (считаясь с меньшим моральным износом). Кроме того, учитывают использование рабочей площади помещений в холодное время года (за счет изменения размеров зоны дискомфорта), добавляя часть затрат на строительные работы по обесцененной площади к сметной стоимости другой системы. Все же главным показателем экономичности системы отопления являются теплозатраты в процессе ее эксплуатации. Известно, что только годовые затраты на эксплуатацию превышают половину стоимости устройства системы. И основная часть затрат приходится на оплату расходуемой теплоты. Теплозатраты на отопление при паровой или центральной воздушной системе превышают расход теплоты в системе водяного отопления вследствие возрастания попутных теплопотерь через стенки паропроводов и воздуховодов, бесполезных для обогрева рабочих помещений. Комбинированное отопление Комбинированными принято называть системы центрального отопления с двумя теплоносителями, когда первичный теплоноситель (вода, пар) используют для нагревания вторичного (воды, воздуха). В связи с широким распространением в нашей стране централизованного водяного теплоснабжения большинство систем центрального отопления фактически стали комбинированными - водо-водяными или водо-воздушными. В настоящее время под комбинированным отоплением стали понимать сочетание двух режимов работы системы или двух систем для отопления одного и того же помещения с переменным тепловым режимом. Проводится также совершенствование работы и устройства систем отопления для улучшения теплового режима помещений и сокращения теплозатрат на отопление зданий. Конструктивно похожее решение встречалось и ранее, когда для отопления, периодически используемого производственного помещения предусматривались две системы отопления различной мощности: одна для рабочего периода времени, другая (дежурная) - для нерабочего. Различают комбинированное отопление двухрежимное, двухкомпонентное, с прерывистым режимом. Двухрежимным
называют отопление, работающее при различной температуре одного и того же теплоносителя в разное время суток. Двухрежимной является система водяного отопления, в которой в рабочий период времени циркулирует вода при пониженной температуре (для полезного использования внутренних тепловыделений), а в нерабочий период - при повышенной (или наоборот). Для понижения температуры включают смесительный насос, для повышения - применяют прямоточную подачу теплоносителя из наружного теплопровода без подмешивания охлажденной воды. Двухрежимной может быть также система воздушного отопления, совмещенная с приточной вентиляцией в рабочий период времени, и рециркуляционная в нерабочий период. Температура подаваемого воздуха в первый период ниже, чем во второй. Двухкомпонентным
считают отопление двумя системами, дополняющими одна другую для обеспечения необходимой теплоподачи в помещения. Первую систему, обычно водяного отопления, называемую фоновой или базисной, устраивают пониженной мощности (например, 30% расчетной теплопотребности рядовых помещений) для постоянного нерегулируемого действия в течение всего отопительного сезона. Задача этой системы - выравнивать дефицит теплоты, приходящейся на единицу площади или объема рядовых и угловых, нижних и верхних однотипных помещений здания (искусственно создавать одинаковые удельные тепловые характеристики основных помещений). Вторую систему водяного, воздушного, газового или электрического отопления, называемую догревающей, предусматривают дополнительной мощности для поддержания необходимой температуры воздуха, как в рабочий, так и нерабочий периоды времени. Действие догревающей системы автоматизируют для работы по заданной программе. Комбинированное отопление может действовать с перерывами, и тогда тепловой режим помещений характеризуется тремя состояниями: постоянства температуры в течение рабочего времени, свободного понижения температуры при выключенной догревающей системе и натопа помещений перед началом работы или в праздничные дни (о прерывистом отоплении). Возможны также различные сочетания перечисленных видов комбинированного отопления, когда предусматривают двухрежимную работу одной или обеих систем двухкомпонентного отопления. Повышение эффективности отопления здания Заключительным этапом алгоритма разработки здания с эффективным использованием энергии является оценка эффективности принятого способа отопления как составной части СКМ здания. На это направлены рассмотренные в данном разделе инженерные приемы. Комплексное свойство СКМ здания эффективно выполнять свои функции является обычно вероятностной характеристикой. Эффективность системы отопления определяется тремя основными свойствами: надежностью, управляемостью (или устойчивостью) при функционировании, обеспеченностью. Надежность
- вероятностное обеспечение безотказной работы механической части системы отопления, ее конструктивных узлов и элементов при эксплуатации в пределах расчетных сроков и условий. Управляемость
- вероятностное выдерживание заданных отклонений в работе отдельных частей и зон системы отопления в процессе управления и при эксплуатации в течение отопительного сезона. Обеспеченность
- принятое в проекте выдерживание с допустимой вероятностью отклонений расчетных внутренних условий в здании. Регулирование системы отопления Под регулированием системы отопления понимают комплекс мероприятий, направленных на максимальное приближение теплоотдачи ее элементов к текущей переменной теплопотребности отапливаемых помещений в течение отопительного сезона для выдерживания расчетной температуры помещений. Различают пусковое и эксплуатационное регулирование системы. Эти виды регулирования имеют свои особенности для водяной, воздушной и паровой систем отопления. При пуске системы отопления группы зданий, присоединенной к теплопроводам централизованного теплоснабжения, обеспечивают распределение теплоносителя по отдельным зданиям пропорционально их расчетной теплопотребности. Обычно такое регулирование проводят в центральных тепловых пунктах (ЦТП) и во внутриквартальных тепловых сетях. Способы регулирования, как при зависимом, так и при независимом присоединении системы отопления к теплопроводам, рассматриваются в дисциплине «Теплоснабжение». Пусковое регулирование элементов и узлов системы отопления связано с обеспечением в них расчетного расхода теплоносителя. Эксплуатационное регулирование системы отопления проводят с целью обеспечения теплоподачи в отапливаемые помещения соответствующей текущей теплопотребности. Способы регулирования различаются также в зависимости от применяемого в системе теплоносителя. В зависимости от места проведения регулирования в системе теплоснабжения различают центральное, групповое, местное и индивидуальное регулирование. В системе водяного теплоснабжения центральное регулирование осуществляют на тепловой станции (ТЭЦ, котельной) по так называемому отопительному графику, устанавливающему связь между параметрами теплоносителя (температура при качественном или расход при количественном регулировании) и температурой наружного воздуха как основного фактора, определяющего переменный характер составляющих теплового баланса здания в течение отопительного сезона Центральное регулирование на тепловой станции при теплоснабжении различных по назначению зданий (жилые, общественные, производственные и др.) и режиму теплопотребления их инженерных систем (отопление, горячее водоснабжение, вентиляция и др.) не может обеспечить устойчивой работы систем отопления. Устойчивость работы повышается при приближении места проведения регулирования к теплопотребителю за счет более полного учета различных факторов, определяющих теплопотребность помещений отапливаемых зданий. Так, при групповом регулировании в ЦТП появляется возможность распределять теплоту по уточненным температурным графикам, что способствует повышению экономичности отопления каждого здания. При местном регулировании в тепловом пункте здания учитывают особенности режима его эксплуатации, ориентацию по сторонам горизонта, действие ветра и солнечной радиации. Проведен анализ систем отопления и установлена возможность применения прерывистого отопления в жилых зданиях и помещениях. Для изучения особенностей формирования микроклимата в помещениях с притоком наружного воздуха через вентиляционные клапаны и отопительными приборами разного типа (конвектор и радиатор) разработана математическая модель. Расчеты выполнены с использованием пакета STAR-CD. Системы уравнений аэродинамики и теплопереноса решались в нестационарной постановке с шагом по времени от 1 с до 10 с. Получены зависимости изменения температуры внутреннего воздуха в четырех контрольных точках. Установлена неоднородность поля температуры воздуха в жилом помещении при подаче наружного воздуха через вентиляционные клапаны. В значительной степени поле температуры воздуха в помещении зависит от типа отопительного прибора (радиатора или конвектора). моделирование микроклимат тепловой режим жилые помещения 1. Дацюк Т.А., Таурит В.Р. Моделирование микроклимата жилых помещений // Вестник гражданских инженеров. - 2012. - № 4. - С. 196-198. 2. Мишин М.А. Исследование процессов остывания теплоносителя при прерывистом регулировании // Ползуновский вестник. – 2010. - № 1. - С. 146-152. 3. Панферов В.И. Анализ возможности экономии тепловой энергии при прерывистом режиме отопления / В.И. Панферов, Е.Ю. Анисимова // Вестник ЮУрГУ. Сер.: Строительство и архитектура. - 2008. - Вып. 6. - № 12. - С. 30-37. 4. Протасевич А.М. Энергосбережение в системах теплогазоснабжения, вентиляции и кондиционирования воздуха: учеб. пособие. – Минск: Новое знание; М. : ИНФРА-М, 2012. – 286 с. 5. СНиП 41-01-2003. Отопление, вентиляция и кондиционирование. – М. : Госстрой России, 2004. – 56 с. 6. Энергосбережение в системах теплоснабжения, вентиляции и кондиционирования воздуха: справ. пособие / Л.Д. Богуславский, В.И. Ливчак, В.П. Титов и др.; под ред. Л.Д. Богуславского и В.И. Ливчака. - М. : Стройиздат, 1990. – 624 с. Отопление зданий и помещений может быть постоянным или прерывистым (периодическим) . При прерывистом отоплении снижается или полностью отключается подача теплоты в здание или помещение. В холодный период года в жилых помещениях, когда они не используются, допускается обеспечивать температуру внутреннего воздуха ниже нормируемой, но не менее 15 °С . Использование прерывистого режима отопления позволяет уменьшить расход тепловой энергии. Суточный цикл имеет три части : Тепловой поток в режиме разогрева помещения больше, чем во время установившегося режима. Дополнительная мощность системы отопления при периодической эксплуатации в течение всего отопительного периода в нормальном и экономичном температурных режимах зависит от следующих показателей: Для повышения энергоэффективности систем отопления (снижения энергопотребления) возможно использование прерывистого режима подачи теплоносителя. Однако время натопа помещения в нормативных документах не регламентируется, т.е. предполагается только постоянное отопление. При прерывистом отоплении существенным фактором следует рассматривать скорость восстановления температурного поля помещений до расчетного значения. Постановка задачи и исследование
Для изучения особенностей формирования микроклимата в помещениях с притоком наружного воздуха через вентиляционные клапаны и отопительными приборами разного типа (конвектор и радиатор) использован метод численного моделирования. Моделирование микроклимата выполнялось на примере типовой жилой комнаты здания 137 серии: Расчетная температура наружного воздуха - минус 26 °С. Расчетная температура внутреннего воздуха - плюс 20 о С. Сопротивление теплопередаче наружной стены и оконного блока приняты в соответствии с нормативными требованиями: для наружной стены - R с = 3,1 (м 2 К)/Вт; для окна - R ок = 0,51 (м 2 К)/Вт. Коэффициент теплоотдачи для наружной поверхности - Вт/(м 2 К). Теплообмен с соседними помещениями не учитывается. Расчетный тепловой поток системы отопления помещения - 1026 Вт. Отопительные приборы размещаются под окном. Предусмотрена установка конвектора типа Atoll Pro (ПКН 310) производства ОАО «Фирма Изотерм» (Санкт-Петербург). При параметрах теплоносителя для отопительного прибора 95/70 °С (применительно к двухтрубной системе водяного отопления и схеме движения теплоносителя в отопительном приборе - сверху-вниз) тепловой поток конвектора составляет 980 Вт. Расхождение между требуемым тепловым потоком конвектора и тепловым потоком конвектора, принятого к установке, допускается в сторону уменьшения в пределах до 5%, но не более чем на 60 Вт (при нормальных условиях) . В данном случае это расхождение составляет 4,1% (56 Вт). Конвектор моделировался в виде прямоугольного блока. На верхней грани блока имитировалась выходная решетка конвектора длиной 0,74 м и глубиной 0,1 м, через которую выходит струя нагретого воздуха со скоростью 0,34 м/с и температурой 50 °С (эти параметры получены из натурных измерений). Конвективная составляющая теплового потока равна 94%. Через нижнюю грань блока в конвектор поступал воздух из помещения. Остальная часть теплового потока моделировалась как радиационная составляющая (6% от общего теплового потока), излучаемая нагретым кожухом прибора. Радиатор моделировался в виде прямоугольного блока длиной 1,3 м, высотой 0,4 м, глубиной 0,14 м, заполненного условным материалом со специально подобранными характеристиками, чтобы имитировать теплоемкость массивной металлической конструкции радиатора. Полный тепловой поток от радиатора - 980 Вт; 50% - конвективная составляющая и 50% - радиационная составляющая. Поступление приточного воздуха в помещение осуществляется через приточные клапаны типа «Аэреко». Размеры приточных клапанов были выбраны таким образом, чтобы в помещении обеспечивался однократный воздухообмен. Приняты два приточных клапана сечением 0,01х0,3 м 2 каждый, расположенных в верхней части оконного блока. При перепаде давления между внутренним и наружным воздухом 10 Па клапаны обеспечивают расход приточного воздуха 46 м 3 /ч, т.е. однократный воздухообмен в комнате. Удаление воздуха из комнаты выполняется через щель, имитирующую зазор под закрытой дверью, расположенной в стене напротив окна. Расположение приточных клапанов показано на рис. 1. Рис. 1. Расчетная схема (разрез) помещения и расположения точек контроля температуры. Расчет проводился с использованием пакета STAR-CD. Системы уравнений аэродинамики и теплопереноса решались в нестационарной постановке с шагом по времени, который варьировался от 1 до 10 с. В ходе расчета контролировались температуры воздуха в четырех точках (рис. 1). В результате расчетов для двух типов отопительных приборов получены графики изменения температуры воздуха во времени при нагреве помещения до и после открытия приточных клапанов для 4 контрольных точек (рис. 2 - 5). Рис. 2. Характер изменения температуры в точке 1. Рис. 3. Характер изменения температуры в точке 2. Рис. 4. Характер изменения температуры в точке 3. Рис. 5. Характер изменения температуры в точке 4. Начальная температура воздуха в помещении перед включением отопительных приборов принята равной плюс 15 о С. Приточные клапаны при предварительном нагреве помещения закрыты. После включения отопительных приборов: Таким образом, в режиме нагрева помещения («натопа») при работе конвектора температура в верхних контрольных точках устанавливается в 3 раза быстрее, чем при работе радиатора. Сравнивая процесс нарастания температуры в нижних точках, где в меньшей степени сказывается влияние конвективной струи конвектора, видно, что прогрев воздуха при работе конвектора также происходит быстрее. Например, в точке 2 температура 23 °С при работе конвектора достигается за 12 мин, а при работе радиатора - за 20 мин. При достижении температуры воздуха в верхних контрольных точках 28 ºС проводилось открытие приточных клапанов. Через 10 мин после открытия клапанов температура воздуха в контрольных точках снижается до плюс 22-24 ºС для обоих приборов. Далее с течением времени температура во всех контрольных точках продолжает снижаться. Однако характер падения температуры (во всех контрольных точках) при работе радиатора более резкий, чем для конвектора. Это объясняется большей подвижностью воздуха в помещении при работе конвектора, которая связана с взаимодействием более мощной конвективной струи нагретого воздуха с холодным приточным воздухом. Через 50 минут после открытия клапана минимальная температура в контрольных точках при работе конвектора - 22-23 ºС, а при работе радиатора - 19,5-21 ºС, т.е. на 2 ºС ниже. Заключение
Рецензенты:
Анисимов С.М., д.т.н., профессор кафедры «Теплогазоснабжение и вентиляция», ФГБОУ ВПОУ «СПбГАСУ», г. Санкт-Петербург. Гримитлин А.М., д.т.н., профессор кафедры «Теплогазоснабжение и вентиляция», ФГБОУ ВПОУ «СПбГАСУ», г. Санкт-Петербург. Вопрос экономии энергии, потребляемой для поддержания комфортного микроклимата в отапливаемых помещениях, становится все актуальнее. Снижение температуры воздуха в период отсутствия людей или остановки технологического оборудования дает возможность уменьшить потребление энергоресурсов.
По результатам численного моделирования выполнен расчет экономии тепловой энергии при прерывистом отоплении в условиях применения четырех видов отопительных приборов. Установлено, что наибольшая экономия теплоты наблюдается при использовании конвектора или радиатора, поскольку они обеспечивают самый быстрый темп разогрева. Панельные отопительные приборы непригодны для прерывистого отопления, так как характеризуются значительной тепловой инерцией. Вопрос сокращения количества энергии, потребляемой для поддержания требуемых условий микроклимата в отапливаемых помещениях, приобретает все большую актуальность. Снижение температуры воздуха в помещениях в период отсутствия людей или остановки технологического оборудования дает возможность уменьшить потребление энергетических ресурсов. Имеющиеся исследования, связанные с анализом прерывистого отопления (переменного режима работы отопления), как правило, не имеют системного характера. В математических моделях акцент сделан на переносе теплоты в массиве ограждающих конструкций, не принимаются во внимание процессы конвекции в воздушной среде помещения. Такой подход не позволяет адекватно учесть влияние месторасположения и вида нагревателя на тепловой режим помещения. В разработанной автором под руководством д.т.н., проф. П. И. Дячека нестационарной двумерной физико-математической модели учтена сопряженность различных видов теплообмена в ограждениях и в свободном пространстве отапливаемых помещений, влияние вида отопительных приборов на процессы переноса. Приняты во внимание геометрические и конструктивные особенности ограждений и заполнений световых проемов. Удовлетворительная степень соответствия двумерной модели реальным трехмерным процессам проверена в экспериментах. Дифференциальные уравнения переноса, входящие в разработанную модель, приведены в работе . Проанализируем задачу о прерывистом отоплении общественного помещения. Расчетная область представляет собой вертикальный разрез помещения, расположенного на нижнем этаже, по центру окна. Снизу находится подвал. Высота помещения составляет 2,5 м, длина — 6 м. Наружные и внутренние ограждения выполнены с использованием железобетонных конструкций. Подробная информация о конструкции ограждений, внешний вид расчетной области, а также характер распределений полей температуры и скорости при различных вариантах работы отопительных приборов представлены в материале . Предполагая, что помещение не эксплуатируется в субботу и воскресенье, рассмотрим несколько вариантов применения прерывистого отопления с четырьмя видами приборов (радиатор, конвектор, подоконная отопительная панель и напольное отопление). Для исключения влияния на результат прочих нестационарных факторов задаем постоянную температуру наружного воздуха на уровне -24 °C (условия Минска). В смежных помещениях назначена температура воздуха 20 °C, в подвале температура задана на уровне 5 °C. Отопительная нагрузка помещения Q расч определена по традиционной методике. Связь между текущим значением мощности прибора Q тек и его расчетной нагрузкой Q расч задаем с помощью коэффициента мощности K, итого эта связь запишется как: Q тек = KQ расч. (1) При наступлении выходных в течение первых суток задаем полное отключение системы отопления (K = 0) или снижение мощности в два раза (K = 0,5). Во вторые сутки включаем отопление, задаваясь одним из следующих значений коэффициента мощности K = 1; 1,5 или 2. Для сопоставления динамики повышения температуры в условиях применения различных режимов и отопительных приборов моделируем разогрев помещения в течение более длительного периода, чем одни сутки. На рис. 1 представлены кривые изменения средней температуры воздуха обслуживаемой зоны для группы расчетов с полным отключением отопления в первые сутки. Рис. 2 содержит аналогичные графики для расчетов, в которых в период 0-24 ч коэффициент мощности задан 0,5. В начальный момент (0 ч) средняя температура воздуха в помещении соответствует стационарной задаче и зависит от вида прибора. Основной причиной отличия температуры воздуха в начальный момент является различие фактических потерь теплоты вследствие неодинаковой интенсивности прогрева ограждающих конструкций, расположенных вблизи отопительных элементов . Рис. 1 и рис. 2 показывают, что динамика изменения температуры воздуха во многом зависит от вида отопительного прибора. Наиболее высока скорость изменения в расчетах с конвектором и радиатором. Варианты с подоконной отопительной панелью и, особенно, с напольным отоплением, демонстрируют более низкую динамику снижения и увеличения температуры. Количественное сопоставление результатов удобно выполнять, используя величины, представленные в табл. 1-4. Курсивом выделены значения для режимов, не обеспечивающих своевременное достижение исходной температуры внутренней среды после периода снижения температуры. В табл. 1 приведено время повышения температуры воздуха до исходного значения, считая от начала разогрева. Допустим, что к концу вторых суток (то есть на момент времени 48 ч) в помещении должна быть восстановлена исходная температура воздушной среды. По данным табл. 1 видно, что разогрев помещения необходимо проводить с повышенной мощностью (K > 1), так как при коэффициенте K = 1 ни один из приборов не обеспечивает достаточного темпа разогрева. Инерционность панельных отопительных приборов является причиной того, что при K = 1 время разогрева составит более шести суток. Таким образом, к началу следующих выходных температура воздуха не достигнет значения, которое наблюдалось до начала отключения отопления (или снижения) мощности. При полном отключении в первые сутки и последующем разогреве с K = 1,5 только напольное отопление не обеспечит своевременного разогрева, поскольку является наиболее инерционным. Табл. 2 содержит значения дополнительных затрат теплоты (из расчета на 1 м 2 площади помещения) в период разогрева до исходной температуры. Данные затраты имеют место при разогреве с коэффициентом мощности K > 1 до момента достижения исходной температуры воздуха. Далее следует перевести систему отопления в режим постоянной работы с K = 1. Чем более длительный период времени требует разогрев помещения и чем более высокая отопительная мощность при этом используется, по сравнению с расчетной мощностью, тем значительнее дополнительные затраты. Экономия теплоты за счет прерывистого режима работы отопления за рабочий цикл, длящийся одну неделю, указана в табл. 3. Максимально возможное значение экономии для исследуемых вариантов определяется количеством теплоты, которое не использовано в период суточного отключения отопления (3170 кДж на 1 м 2 площади помещения) или снижения мощности в два раза (1580 кДж/м 2). При последующем разогреве помещения с K > 1 дополнительные затраты (табл. 2) определяют итоговое, более низкое значение экономии теплоты. В табл. 4 представлена экономия теплоты в условиях прерывистого отопления, выраженная в процентах. Значения определены относительно затрат теплоты на отопление в течение недельного периода работы при постоянном режиме с коэффициентом мощности K = 1, составляющих 22 180 кДж/м 2 . В рассмотренных режимах для всех видов приборов полное отключение отопления в первые сутки выходных является более выгодным, чем снижение мощности на 50 %. При отключении происходит более интенсивное и глубокое снижение температуры воздуха, за счет этого более значительно уменьшаются потери теплоты. Однако полное отключение не следует допускать при опасности замерзания теплоносителя в системе или в случае понижения температуры воздуха до значения, которое приведет к нарушению исправности технологического или иного оборудования. Максимальная экономия среди вариантов, обеспечивающих своевременный разогрев помещения, наблюдается при использовании конвектора или радиатора, поскольку указанные приборы обеспечивают самый быстрый темп разогрева внутренней воздушной среды. Результаты других исследователей также свидетельствуют об этом . Значительно меньшая экономия обеспечивается при использовании подоконной отопительной панели. Напольное отопление практически не дает экономии при прерывистом режиме работы по причине чрезмерной инерционности. Результаты проведенного исследования полностью подтверждают предположение о непригодности панельных отопительных приборов для использования в условиях прерывистого отопления. Для предварительного сопоставления различных отопительных приборов можно порекомендовать следующее соображение. Чем более массивным является отопительный прибор, и чем больше его емкость по теплоносителю, тем выше тепловая инерция данного нагревателя и тем меньше выгоды можно получить от применения прерывистого отопления. Анализ результатов позволяет сделать вывод, что при использовании прерывистого отопления следует по возможности максимально удлинить период отключения (или снижения мощности), а на разогрев оставить время, необходимое для повышения температуры воздуха до требуемого значения при включении нагревателей с максимальной мощностью. Практика показывает, что наиболее быстро обеспечить разогрев внутреннего воздуха можно, используя отопительные приборы с принудительной циркуляцией воздуха (например, конвекторы со встроенными вентиляторами). Длительность периода разогрева зависит от большого числа факторов: вида прибора, его мощности и места размещения, исходной температуры внутреннего воздуха, исходной температуры ограждений и оборудования, а также их тепловой инерции. Применение программно реализованных математических моделей дает возможность наиболее полно учесть все факторы, определяющие процессы охлаждения и нагрева помещения, и спроектировать систему отопления, максимально подходящую для прерывистого режима работы. В рамках существующего объекта численные эксперименты позволяют разработать оптимальный режим функционирования имеющейся отопительной системы.
На рис. 2 показаны фактические и расчетные температуры
теплоносителя в подающем трубопроводе Киевской ТЭЦ - 5 за 1999 год.
Синей линией обозначены среднесуточные температуры
наружного воздуха, значения которых для города Киева приняты по данным
Гидрометцентра Украины за 1999 год. Зима в том году не была суровой, однако
большая часть отопительного сезона пришлась на область недостаточного отопления,
при котором температура теплоносителя была ниже расчетного значения. И только в
течение нескольких дней в марте и октябре шел перегрев, который можно было бы
устранить средствами погодного регулирования. В то же время, в эти несколько
теплых дней, несмотря на перетоп, тепло расходовалось в небольших количествах,
и погодное регулирование могло бы сэкономить совсем немного тепловой энергии.
Это хорошо видно на графике, в котором функцией является не температура, а
величина теплопотребления одного из общественных зданий, присоединенных к
Киевской ТЭЦ - 5 (рис. 3).
Тем не менее, в течение большей части отопительного
периода суточное теплопотребление в общественных зданиях может существенно
снижаться даже при нынешнем недостаточном теплоснабжении. Если к вычисленному
по графикам рис. 4 потенциалу ночного снижения внутренних температур (15,5%)
добавить потенциал возможного снижения темпера тур в выходные дни, то общий
энергетический потенциал программного уменьшения тепловой мощности в
общественных зданиях может быть оценен
величиной 18 - 20 %.
Библиографическая ссылка
Дацюк Т.А., Ивлев Ю.П., Пухкал В.А. МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА ЖИЛЫХ ПОМЕЩЕНИЙ ПРИ ПРЕРЫВИСТОМ ОТОПЛЕНИИ // Современные проблемы науки и образования. – 2014. – № 5.;
URL: http://science-education.ru/ru/article/view?id=14698 (дата обращения: 18.10.2019).
Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
2014-01-15
