2014-01-15

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.

Захаревич А.Э. Особенности формирования микроклимата в многосветных пространствах // Вестник МГСУ, №7/2011.
Захаревич А.Э. Особенности формирования микроклимата отапливаемых помещений // Энергетика, №5/2009.
Захаревич А.Э. Формирование параметров микроклимата в отапливаемых помещениях в условиях естественной конвекции: Автореф. дисс. на соиск. уч. ст. к.т.н. - Минск: БНТУ, 2012.
Асатов P.P. Факторы, влияющие на экономию теплоты при прерывистом отоплении зданий // Теоретические основы теплогазоснабжения и вентиляции: Сб. докл. III Межд. науч.-техн. конф. МГСУ, 2009.
Табунщиков Ю.А., Бродач М.М. Экспериментальное исследование оптимального управления расходом энергии // Теоретические основы теплогазоснабжения и вентиляции: Сб. докл. III Межд. науч.-техн. конф. МГСУ, 2009.

ПЕРИОДИЧЕСКОЕ («ПРЕРЫВИСТОЕ») ОТОПЛЕНИЕ, КАК ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕЕ МЕРОПРИЯТИЕ

Среди задач управления системами отопления значительное место занимают задачи так называемого прерывистого режима отопления. Для большинства современных зданий (административных зданий, школ, жилых зданий, театров, кинотеатров, ряда производственных зданий и т. д.) допускается понижение температуры внутреннего воздуха ниже нормативного значения в течение части суток, в выходные и праздничные дни с целью экономии энергии, затрачиваемой на их теплоснабжение. К началу использования помещения в соответствии с его технологическим назначением температурный режим в нем должен соответствовать нормативным показателям. Такой режим отопления, когда температура внутреннего воздуха понижается на некоторый период времени ниже нормативного значения, называется «прерывистым». Подобная ситуация может иметь место также при авариях, когда прекращается подача тепла в помещение.

Прерывистая подача тепла рациональна только в случае автоматического регулирования по времени и температуре, которое позволяет экономить энергию, избегая ненужного завышения температуры в отапливаемых помещениях, и периодически снижать температуру помещения в соответствии с определенным графиком его использования, а также обеспечить необходимую оптимальную тепловую обстановку в помещении.

Колебания тепловыделений и связанные с ними колебания температуры внутреннего воздуха на общем расходе тепла не сказываются; он зависит от средней за период температуры внутреннего воздуха . Если при прерывистой теплоподаче значение среднесуточной температуры внутреннего воздуха равно нормативному ее значению, то общий расход тепла остается таким же, как при непрерывной теплоподаче, и экономия энергии не обеспечивается. Подобное положение имеет место при печном отоплении. Для обеспечения экономии энергии необходимо понизить среднесуточное значение температуры внутреннего воздуха, т.е. в течение части зимнего периода она должна быть равна нормативному значению и быть ниже в остальную часть периода. Для большинства современных зданий (административных зданий, школ, жилых зданий, театров, кинотеатров, ряда производственных зданий и т.д.) понижение температуры внутреннего воздуха ниже нормативного значения допускается в течение части суток.

Одним из критериев возможной длительности перерыва в теплоподаче и связанным с ней понижением температуры внутреннего воздуха является требование о невыпадении конденсата на внутренних поверхностях стен и покрытия. При понижении температуры внутреннего воздуха, если не меняется его влагосодержание, точка росы остается постоянной.

Система прерывистой теплоподачи будет особенно эффективной, если она способна в короткое время без привлечения большой дополнительной мощности повысить температуру внутреннего воздуха до нормативного значения . Таким требованиям в значительной степени удовлетворяют так называемые двухкомпонентные системы отопления. Основная (фоновая) часть системы может поддерживать в помещении температуру воздуха порядка 12-16 °С, а дополнительная в течение короткого промежутка времени может довести ее до нормативной. Система фонового отопления может быть любой теплоемкости, а дополнительная система должна быть малотеплоемкой и легко регулируемой. Двухкомпонентные системы могут быть различной конструкции. Возможны варианты теплоемких фоновых систем панельного отопления и безынерционных электродоводчиков (электрорадиаторов или электроконвекторов, оснащенных термостатами) или конвекторы, рассчитанные на внутреннюю температуру 15 °С, с вентиляторами, быстро поднимающими температуру помещения до нормативной.

Прерывистая теплоподача, сокращая общий расход тепла за период, требует более высокой подачи тепла в период натопа. Таким образом, прерывистая подача тепла является экономически выгодной, как правило, при достаточно высокой температуре наружного воздуха, которая имеет место больше всего в переходные периоды года, когда можно использовать для натопа имеющуюся мощность системы отопления.

В практике эксплуатации жилых зданий прерывистая теплоподача имеет место при электротеплоснабжении зданий. Периодичность теплоснабжения здесь обусловлена использованием внепиковой электроэнергии. Метод этот сводится к подключению электроотопительных приборов и установок и к накапливанию в них тепла исключительно в часы ночных провалов графика нагрузки энергосистемы (аккумуляционное отопление) или во внепиковые периоды (полуаккумуляционное отопление) . Тепло, запасенное в отдельных приборах, центральных установках или непосредственно в конструкциях зданий, расходуется в помещении для нужд обогрева по мере надобности. Электроотопление рационально только с автоматическим регулированием по времени и температуре и позволяет наилучшим образом сочетать график потребления электроэнергии для нужд обогрева с суточным графиком нагрузки на энергосистему путем рационального использования аккумулирующих свойств комплекса «здание - система отопления».

Задача управления расходом энергии, затрачиваемой на нагрев или охлаждение помещения, всегда занимала одно из центральных мест в теории отопления и кондиционирования, но особую значимость приобрела в настоящее время. Современная техника отопления и кондиционирования нуждается не в управлении вообще, а требует оптимального управления процессом расходования энергии. Не является исключением использование компьютерной техники в интеллектуальных зданиях, поскольку она должна работать в соответствии с алгоритмом, позволяющим осуществить процесс нагрева или охлаждения оптимальным образом.

Для большинства помещений жилых и общественных зданий минимизация затрат энергии на разогрев помещений может быть достигнута при выполнении следующих двух положений:

1) первое положение: разогрев помещений необходимо начинать с разогрева наиболее теплоемких частей помещения;

2) второе положение: разогрев помещений должен производиться с использованием максимальной мощности отопительного оборудования.

В большинстве случаев это относится к внутренним поверхностям наружных ограждающих конструкций, которые, к тому же, как правило, и наиболее охлаждены (минимизация времени разогрева в данном случае может быть достигнута, например, за счет быстрого нагрева внутренних поверхностей ограждающих конструкций конвективными настилающимися струями).

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 о С . Использование прерывистого режима отопления позволяет уменьшить расход тепловой энергии.

Суточный цикл имеет три части :

Начало работы системы отопления (период «натопа» помещения) - температура в помещении повышается от минимальной допустимой t д до расчетной температуры внутреннего воздуха t в;

Время установившегося режима - в помещении поддерживается температура внутреннего воздуха t в;

Прекращение подвода теплоты - температура в помещении понижается до минимальной допустимой t д.

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.

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:

Величины снижения температуры внутреннего воздуха по отношению к расчетной;

Времени, необходимого для достижения расчетной температуры внутреннего воздуха;

Воздухообмена во время натопа;

Теплоаккумулирующей способности здания.

В системах центрального отопления, особенно водяного, скопления воздуха (точнее газов) нарушают циркуляцию теплоносителя и вызывают шум и коррозию стали. Воздух в системы отопления попадает различными путями: частично остается в свободном состоянии при заполнении их теплоносителем; подсасывается в процессе эксплуатации неправильно сконструированной системы; вносится водой при заполнении и эксплуатации в растворенном виде.

В системах с верхней разводкой необходимо обеспечивать движение свободных газов к точкам их сбора. Точки сбора газов (и удаления их в атмосферу) следует назначать в наиболее высоко расположенных местах систем. Конкретно магистралям придают определенный уклон и устанавливают проточные воздухосборники (рис. 17, а, б,) – вертикальные (а) или горизонтальные (б). Из воздухосборников газы удаляются в атмосферу периодически при помощи ручных спускных кранов 4 или автоматических воздухоотводчиков (6) рис 17.

Рис. 17 Проточные воздухосборники а) – вертикальный на главном стояке; б) горизонтальный на магистрали; 1 – главный стояк; 2- магистрали; 3 – труба(с краном) для выпуска воздуха; 4 – муфта для выпускной трубы; 5 – муфта с пробкой для выпуска грязи.

Рис. 18 Схем установки воздухосборников и воздухоотводчиков а) – с горизонтальным проточным воздухосборником; б) – с вертикальным непроточным воздухосборником; в) – автоматический воздухоотводчик; г) – непроточный воздухосбросник; 1- магистраль; 2-воздухосбросник; 3 – воздухоотводчики; 4 – запорные краны; 5 – ручнее воздуховыпускные краны; 6- воздушная линия; 7 – поплавок; 8 – упор; 9- пружинный клапан; 10 – защитный колпак.

Рис. 19 Автоматический воздухоотводчик ASV

В системах с «опрокинутой» циркуляцией воды и верхним расположением обратной магистрали, в гравитационной системе с верхней разводкой для отделения и удаления газов используют расширительные баки с открытой переливной трубой.

В системах водяного отопления с нижней разводкой обеих магистралей газы, концентрирующиеся в радиаторах или в греющих трубах конвекторов, установленных на верхнем этаже, удаляют в атмосферу периодически при помощи ручных и автоматических воздушных кранов 1 (рис. 20, а) или централизованно через специальные воздушные трубы 2 и 3 (рис. 20, б). При централизованном удалении газов воздушные трубы стояков соединяются горизонтальной воздушной линией 2 (рис. 20, б) с петлей 5 для устранения циркуляции воды в воздушной линии. Для периодического выпуска воздуха в воздушной петле помещают вертикальный воздухосборник 4 со спускным краном (рис. 17, в и 2, в). Для непрерывного удаления воздуха воздушную петлю присоединяют к соединительной трубе открытого расширительного бака(6) (рис. 20, г).

Рис. 21 Воздушный кран Маевского

В системах парового отопления воздух находится в свободном состоянии. В паропроводах пар вытесняет воздух в нижние части систем к конденсатным трубам. В паровых системах высокого давления воздух захватывается конденсатом, движущимся с высокой скоростью. Водовоздушная эмульсия по трубам попадает в закрытый конденсатный бак, где воздух отделяется от конденсата и периодически отводится в атмосферу через специальную воздушную трубу.

8. РАСШИРИТЕЛЬНЫЕ БАКИ СИСТЕМ ВОДЯНОГО ОТОПЛЕНИЯ: НАЗНАЧЕНИЕ, ВИДЫ, ПОДБОР, ПРИСОЕДИНЕНИЕ К СИСТЕМЕ ОТОПЛЕНИЯ.

Предназначены для приема прироста воды, образующегося в системе отопления. Расширительные баки по конструкции бывают: - открытыми, сообщающиеся с атмосферой; закрытые, находящиеся под переменным, но строго избыточным давлением. 1. Открытые расширительные баки. Изготовляют, как правило, цилиндрическими, размещают на расстоянии не менее 1 м над верхней точкой системы, обязательно изолируют.

1 – расширительная труба, по которой вода поступает в бак. 2 – контрольная или сигнальная, для проверки наличия воды в баке. 3 – переливная труба. 4 – циркуляционная труба. 5 – патрубок с пробкой, для промывки. V п – полезный объем расширительного бака.

В гравитационных системах расширительный бак присоединяют к высшей точки подающей магистрали (как правило, к главному стояку), служит одновременно для удаления воздуха. В насосных системах отопления расширительные баки подсоединяют к обратной магистрали, вблизи всасывающего патрубка циркуляционного насоса.

V п должен соответствовать увеличению объема воды в системы отопления, при ее нагревании до средней расчетной температуры. V п =k∙V c , м 3 . k – объемное расширение воды в системе отопления: k=β∙Δt, β – среднее значение коэффициент объемного расширения воды для данного интервала температур. β – 0,0006 1/ о С. Δt – изменение температуры от начальной до средней температуры. k=0,24 при 95-70, k=0,27 при 105-70. V с – общий объем воды в системе отопления при начальной температуре. V с =(V пр +V тр +V котл)Q с. V пр,V тр,V котл – объем воды в системе, л/кВт. Q с – мощность системы, кВт. Недостатки открытых расширительных баков: установка в верхней точке на чердаке, утепление. Возможность поглощения воздуха из атмосферы, что вызывает коррозию. Необходимость добавления воды вследствие ее испарения.

2. Закрытые расширительные баки. Бывают: - с мембраной; - без мембраны. Они герметичны, давление в них поддерживается сжатым воздухом. Наиболее часто используют мембранные расширительные баки. Мембраны изготавливаются из эластичного синтетического каучука или резины. Используют две модификации мембранных баков: 1) баки с несменными диафрагмами, жестко закреплены по периметру. 2) баки со сменными диафрагмами, которые можно заменить через горловину бака. Вода не контактирует со стенкой бака.

Определение объема закрытого расширительного бака. Если объем бака окажется, мал, то давление в низших точках системы может превышать допустимое. Если объем бака велик, при понижении температуры в системе, давление в верхних точках может оказаться ниже минимального допустимого, для предупреждения вскипания воды. Объем закрытого строго обусловлено перепадами давления в системе. Vп=ΔV с /(Р а /Р min -P a /P max). ΔV с =k∙V c = β∙Δt∙V c . ΔV c – прирост объема воды. Р а – абсолютное давление в баке до первого поступления воды. Закрытые баки размещают непосредственно в котельной или в тепловом пункте, на полу или на стенке.

9. ОТОПИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ: КЛАССИФИКАЦИЯ, ВИДЫ, ВЫБОР И РАЗМЕЩЕНИЕ ОТОПИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ В ПОМЕЩЕНИИ.

Классификация отопительных приборов.

1) По преобладающему способу теплоотдачи:

а) радиационные приборы – передающие не менее 50% теплоты излучением – это потолочные панели;

б) конвективно-радиационные – передающие конвекцией 50-75% общего теплового потока – радиаторы секционные, панельные, напольные отопительные приборы;

в) конвективные передающие конвекцией не менее 75% - конвекторы.

2) По использующему материалу:

а) металлические – из чугуна, листовой стали, стальные, медные;

б) комбинированные – используют теплопроводящий материал, панельные радиаторы;

в) неметаллические – керамические и пластмассовые радиаторы, потолочные и напольные панели, заделанные пластмассовыми панелями или без труб.

3) По характеру внешней поверхности:

а) гладкие – радиаторы, панели, приборы из гладких труб;

б) ребристые – конвекторы, ребристые трубы, калориферы.

4) По высоте прибора:

а) высокие – h>650 мм; б) средние – 450-650 мм; в) низкие – 200-400 мм;

г) плинтусные – h<200 мм.

Виды отопительных приборов.

1) Простейшими являются гладко трубные приборы, они выполняются в виде змеевиков или регистров из гладких труб, Ø32-100 мм.

Эти приборы легко очищать от пыли, высокий коэффициент теплопередачи. Тяжелые, громоздкие, занимают много места. Применяются в производственных помещениях. На рынке отопительных приборов составляют 2,6%.

2) Радиаторы – приборы, состоящие из отдельных колончатых элементов – секций, либо из плоских блоков с каналами колончатой или змеевиковой формы:

а) чугунные секционные радиаторы, собираются из отдельных секций с помощью ниппеля (цилиндра с резьбой). Расстояние по осям между подводками равно 500 мм. Маркировка МС-140-108; М90; t max =130 o C; Р раб =0,6 МПа. На рынке 47%. Высокая тепловая единичная мощность; стойкие против коррозии; простые в изменении мощности. Металлические (≈ 45кг/кВт); производство трудоемко, экологически вредно; монтаж затруднителен из-за веса; очистка от пыли неудобная; внешний вид непривлекателен.

б) алюминиевые радиаторы, секционные, соединяются прессовкой, на рынке 17%. Имеют привлекательный внешний вид; менее массивны (≈ 11-20 кг/кВт); теплоотдача выше, чем у чугунных, за счет развитой оребренной поверхности; быстрее прогревают помещение; хорошо регулируются терморегуляторами; Р раб =0,6-2 МПа. Менее гигиеничны, т.к. затруднено удаление пыли с внутренней поверхности; подвергаются кислотной коррозии, которая усиливается при образовании гальванической пары алюминий-медь. Во избежание электрохимической коррозии, в местах соединения алюминиевых секций со стальными трубами, используют оцинкованные переходники; алюминий реагирует с водой с выделением водорода. Недостатки, касающиеся электрохимической коррозии, отсутствуют в биметаллических радиаторах, т.к. внутри имеется стальная труба.

в) стальные панельные радиаторы. Сваривают из двух штампованных стальных листов, толщиной 2 мм. Каналы для воды могут быть вертикальные, горизонтальные и змеевиковые. Состоят из 1, 2, 3 х параллельных блоков. Для увеличения конвективной составляющей прибора, между блоками – ответвления. Количество плоских блоков и оребрения, в соответствии с европейскими стандартами указывается в марке прибора.

Меньшая масса, чем у чугунных (0,55-0,8 кг/кВт), увеличенная излучательная способность, монтаж легче, производство механизировано, легко очищаются. Относительная небольшая нагревательная поверхность, для их производства используется дефицитная, коррозиестойкая, холоднотянутая сталь. Применять в закрытых системах, с деаэрированной водой. Р раб =0,6-1,0 МПа. На рынке 17%

3) Конвекторы. На рынке 17%. Основными элементами являются трубчатый ребристый нагреватель, выполненный из стальных электросварных или медных труб.

1. а) навесные (настенные); б) напольные (островные); в) встраиваемые (внутренапольные).

2. а) с кожухом; б) без кожуха.

3. а) с воздушным регулирующим клапаном; б) без воздушного регулирующего клапана.

Требования к конвекторам – хороший контакт оребрения с нагревательной трубкой (цинкование, накатное). Наличие кожуха позволяет использовать при высоких температурах теплоносителя. Теплоотдача конвектора с кожухом растет с увеличением его высоты. Конвекторы со встроенным автоматическим терморегулятором выпускаются без воздушного клапана.

1 – нагревательные трубы. 2 – воздушный клапан. 3 – кожух.

При выборе вида и типа прибора учитываются факторы:

1. Назначение и архитектурно-технологическая планировка помещения.

2. Особенности теплового режима здания (постоянное, дежурное, прерывистое отопление).

3. Вид теплоносителя в системе отопления (водяная, паровая).

4. Давление в системе отопления. 5. Качество теплоносителя. 6. Состав воздушной среды. 7. Санитарно-гигиенические показатели приборов.

Комфортность тепловой обстановки в помещении в большей мере зависит от места установки прибора в помещении. Это связано с тем, что прибор должен выполнять роль локализаторов источников холода в помещения, поэтому прибор должен быть установлен, чтобы нагретая поверхность и восходящая над ним струя не давала попасть холодному потоку воздуха в помещение

1. Наиболее целесообразно устанавливать приборы вдоль наружных стен и под окнами. Длина прибора не менее 50% от длины оконного проема.

2. Под витринами прибор располагают по всей длине - низкие конвекторы, конвекторы теплая дорожка.

3. В детских садах, яслях желательно теплый пол и плинтусные приборы.

4. Теплые полы желательно устраивать в вестибюлях и переходах, куда люди заносят снег.

5. В южных районах при удалении рабочих мест от наружных стен более 2 м, допускается установка у внутренних стен.

6. На лестничных клетках в зданиях до 12 этажей отопительные приборы следует размещать на 1этаже.

7. Не следует размещать лестничные стояки в тамбурах, имеющих наружные двери.

8. Отопительные приборы на лестничных стояках следует присоединять к отдельным стоякам по проточной схеме, с обязательной установкой запорной арматуры на них, регулирующая арматура около приборов не устанавливается.

9. В помещениях кирпичных зданий отопительные приборы устанавливают в нишах глубиной 150 мм, в соответствии со СНиПом 3.05-01-85.

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 :

начало работы системы отопления (период «натопа» помещения) - температура в помещении повышается от минимальной допустимой t д до расчетной температуры внутреннего воздуха t в;
время установившегося режима - в помещении поддерживается температура внутреннего воздуха t в;
прекращение подвода теплоты - температура в помещении понижается до минимальной допустимой t д.

времени, необходимого для достижения расчетной температуры внутреннего воздуха;
величины снижения температуры внутреннего воздуха по отношению к расчетной;
теплоаккумулирующей способности здания;
воздухообмена во время натопа.

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:

размеры помещения: 6х3 м; внутренняя высота 2,56 м; внутренний объем комнаты - 46,08 м 3 ; суммарная площадь внутренних стен - 73 м 2 ;
одно окно размером 1,5х1,5 м.

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:

конвектора: температура воздуха в верхних контрольных точках (1 и 3) достигла 28 о С за 10 минут; в нижних точках (2 и 4) температура воздуха достигла 23 о С за 12-14 минут;
радиатора: температура воздуха в верхних точках достигает 28 о С за 30 минут; в нижних контрольных точках (2 и 4) при работе радиатора температура воздуха за 30 минут достигает значений 26 о С.

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

Поля температуры воздуха в жилых помещениях при подаче наружного воздуха через вентиляционные клапаны неоднородны. Формирование поля температуры в помещении в значительной степени зависит от типа отопительного прибора.
Сравнение изменения температуры в объеме помещения при работе конвектора и радиатора позволяет сделать вывод о том, что при работе конвектора поле температуры в комнате более однородно вследствие преобладания конвективной составляющей теплообмена.
В нормативных документах для жилых помещений для повышения энергоэффективности систем отопления путем применения прерывистого режима подачи теплоносителя необходимо установить длительность периода восстановления температуры внутреннего воздуха до расчетного значения.
Результаты исследования формирования температурного поля отапливаемых жилых помещений с учетом естественной вентиляции должны учитываться как проектировщиками, так и производителями отопительных приборов.

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.

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»

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)