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.

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.

Экономия тепловой энергии 25-40%. Простота установки и эксплуатации. Окупаемость - 1 сезон.

Введение

Общеизвестно, что в межсезонье, (особенно это ощущается весной) в системах отопления большинства жилых зданий происходит «перетоп», что не только создает дискомфорт, но и обходится в существенную «копеечку». Это, конечно, касается не только жилых зданий, а любых, имеющих «зависимую» схему подключения, например, через элеватор.

Технически причина этого «перетопа» может быть устранена только регулированием потребления в самом здании. Для этого сейчас активно предлагаются к внедрению индивидуальные тепловые пункты (ИТП) - решение, скажем прямо, не дешевое. Другой вариант - насосное смешение - тоже не лишен недостатков, поскольку требует не только затрат на насос и автоматику, но и постоянного расхода электроэнергии (а это постоянные затраты), кроме того схема зависима от электроэнергии, при ее отключении отопления в здании не будет. Самое главное - насосная схема требует капитальных затрат, которые при небольшом теплопотреблении будет окупаться очень долго.

Как раз для зданий с небольшим потреблением (до 0,3 Гкал/ч) есть недорогое и качественное решение проблемы - регулятор отопления, который регулирует потребление тепловой энергии здания позиционно (т.е. обеспечивая прерывистое отопление) - метод давно известный и описанный во всех учебниках, но несколько забытый, поскольку большинство известных регуляторов работало по параметру температуры теплоносителя из системы отопления, что приводило по ряду причин к разрегулировке системы отопления по стоякам. Предлагаемый регулятор имеет совершенно другой метод регулирования. Программное обеспечение вычисляет по температуре наружного воздуха необходимое количество тепловой энергии для здания и не дает ему потреблять лишнего.

При непродолжительных (до 30 мин) перерывах циркуляции теплоносителя в системе отопления температура в помещении практически не будет отличаться от начального значения. Даже при сильных морозах (-20 О С) шестиминутный перерыв в циркуляции теплоносителя приведет к понижению температуры помещения в панельном здании всего на 0,1 °С поскольку инерционность водяной системы отопления и самого здания весьма велики. Кратковременный перерыв циркуляции в особенности оправдан тогда, когда он обусловлен избыточной в данный момент времени тепловой мощностью, которая фиксируется приборами автоматического регулирования. В этом случае позиционное регулирование будет столь же эффективно, как и регулирование пропорциональное, которое обеспечивает, например, ИТП (независимое подключение).

Технические средства, реализующие позиционное регулирование, не требуют применения сложной и дорогой техники. Не нужны циркуляционные насосы, требующие постоянного электропитания, существующие элеваторы могут остаться на своих местах, а стоимость исполнительных механизмов позиционного типа, например, электромагнитных клапанов, существенно ниже стоимости клапанов пропорционального регулирования.

О регуляторе отопления здания

Регулятор предназначен для управления процессом потребления тепловой энергии в зданиях с зависимым подключением с нагрузкой не более 0,3 Гкал/ч.

По показаниям датчиков температуры наружного воздуха и температуры в обратном трубопроводе (см. рис.) контроллер оценивает количество избыточного тепла, поступающего в здание. Для поддержания комфортной температуры в помещениях поток теплоносителя периодически прерывается с помощью клапана, устраняя «перетопы». Во время кратковременного отключения протопленное здание экономит тепло, а температура в помещениях остается стабильной за счет теплоаккумуляторного свойства здания.

Экономия

В среднем типовое 5-этажное или 9-этажное здание потребляет на отопление 70-100 Гкал тепловой энергии (март). Даже при минимальной экономии в 25% и средней стоимости 1 Гкал в 2000 руб. экономия составит 35-50 тыс. руб. в месяц. Регулятор окупается сразу, за первый же отопительный сезон!

Настройка и управление

Для настройки и управления контроллером не требуется специальных программ. Его обслуживание осуществляется через встроенный WEB-сервер с помощью мобильных устройств (ноутбук, планшет, смартфон).

Более того, встроенный модем может осуществлять рассылку SMS сообщений при возникновении аварийных и нештатных ситуаций. При подключении пакета услуг «экономь» возможна организация удаленного доступа к контроллеру через сеть Интернет.

Кроме того, вычислитель регулятора сертифицирован как средство измерения (тепловычислитель узла учета). Таким образом, если к нему подключить расходомер, то получится полноценный узел учета тепловой энергии без дополнительных затрат.

Частые вопросы и ответы

1. Регулятор можно устанавливать только потребителям с зависимой схемой подключения?

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).

1. Почему регулятор рекомендуется устанавливать при потреблении зданием до 0,3 Гкал/ч

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 от 2 месяцев до 2 отопительных сезонов. Для зданий с потреблением больше 0,3 Гкал/ч традиционная насосная схема окупается в приемлемые сроки.

1. Не вызовет ли работа Регулятора шума или гидроударов в системе отопления здания?

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 немного выше.

1. Не вызовет ли работа Регулятора завоздушивания системы отопления здания?

Ответ: нет. Клапан будет регулировать подачу тепловой энергии кратковременным перекрыванием подающего трубопровода. Обратный трубопровод ничем не перекрывается. Именно давлением в обратном трубопроводе теплосеть обеспечивает нормальную работу зависимых систем потребителей без завоздушивания.

1. Можно ли поставить один Регулятор на несколько зданий?

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.

1. Сложно ли настраивать Регулятор?

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 удаленно с любого компьютера (по логину и паролю).

1. Насколько сложен монтаж Регулятора?

Ответ: Монтаж сводится к установке монтажного модуля с уже установленной на нем необходимой арматурой (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. Шкаф управления монтируется на стену. Если подключение к интернету через мобильную связь, то возможно потребуется вывести антенну на фасад здания.

1. Есть ли практический опыт внедрения Регулятора?

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.

Рисунок 1. Исполнительный механизм регулятора отопления (слева) и смонтированный в шкафу регулятор (контроллер) (справа).

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)

> Энергосбережение Теплопотребление зданий. энергосбережения, «Киев ЗНИИЭП» Гершкович В.Ф.- к.т.н., руководитель Центра 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. 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. Реализация полномасштабной программы модернизации тепловых пунктов общественных зданий по Украине в целом потребует 250 млн. долларов со сроком окупаемости около 2 лет. 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. 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. Немного теории (-z/B) 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 где tn - температура наружного воздуха во время отключения системы отопления, t = tn + (tвн.р - tn)e В - коэффициент аккумуляции тепловой энергии отапливаемым помещением. Этот коэффициент имеет размерность (час), и потому его называют еще постоянной времени помещения. tвн.р - температура внутреннего воздуха перед отключением, На рис. 1 построены кривые охлаждения воздуха в помещениях из легких конструкций, характеризующихся значением В 162 ч. 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 Резерв энергосбережения, реально у нас пока не задействованный 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. 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. 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. 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. 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. 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. . На рис. 2 показаны фактические и расчетные температуры теплоносителя в подающем трубопроводе Киевской ТЭЦ - 5 за 1999 год. 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. . 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. 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 %. 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. 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. 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. в качестве исходной для построения температурного графика в помещении общественного здания, отапливаемого нестационарно с возможностью ночного понижения температуры до значения + 10 ОС (рис. . Динамика ночного теплопотребления Характер относительного (в долях от расчетных значений) изменения расхода теплоносителя и теплопотребления по часам суток приведен на рис. 6. Если отключить систему отопления нетеплоемкого здания в 17 часов при нулевой наружной температуре, то температура в помещениях понизится до + 10 ОС только к двум часам ночи. К этому времени в систему нужно подать на 10 - 15 минут расчетное количество теплоносителя, чтобы поднять температуру до 10,5 -11 ОС, после чего система должна быть снова отключена на 45 - 55 минут. В таком режиме прерывистого отопления система должна работать примерно до 6 часов утра, когда ее нужно включить для непрерывной работы с целью повышения температуры внутреннего воздуха к началу рабочего дня. Вначале эта температура будет повышаться быстро при подаче в систему расчетного количества теплоносителя, потому что тепловая мощность отопительных приборов будет превышать расчетное значение из-за более низкой температуры воздуха, однако с повышением температуры скорость возрастания температуры будет уменьшаться, и до расчетного (18 ОС) значения эта температура теоретически будет возрастать бесконечно долго, если процесс нагревания искусственно не форсировать, подав в систему, начиная с 7 часов 30 минут, увеличенный по сравнению с расчетным значением расход теплоносителя. К 9 часам утра, то есть к началу рабочего дня температура внутреннего воздуха достигнет 18 ОС, и расход теплоносителя должен быть вновь понижен до расчетного значения. Относительные величины часового теплопотребления будут близкими величинам расхода, однако они не будут в точности равны им из-за того, что температура воды в обратном трубопроводе будет изменяться вместе с изменением расхода. Так, если минимальный расход теплоносителя будет установлен на уровне 5% от расчетного значения, то минимальное теплопотребление составит около 8%. С учетом этой разницы уменьшение суточного теплопотребления при минимальной ночной температуре внутреннего воздуха 10 ОС оценивается величиной 18-20%. Практически полностью прекращать подачу теплоносителя в ночное время было бы неправильно, потому что в этом случае температура воды в обратном трубопроводе системы отопления никак не отражала бы фактическое ее состояние, а это не позволило бы использовать этот важный параметр в качестве сигнала управления работой автоматики. Поэтому минимальный расход теплоносителя должен быть на уровне от 5 до 10% от расчетного значения. Тогда кратковременный максимальный, в период активного натопа расход воды не превысит 140% расчетной величины. Основным и бесспорным критерием качества современной отопительной системы является ее способность адекватно реагировать средствами автоматического регулирования на изменяющиеся потребности в тепловой энергии отапливаемого здания независимо от того, меняется ли потребность в результате внешних воздействий на здание или в последствие внутренних факторов. В современных тепловых пунктах адекватное реагирование обеспечивается средствами пропорционального качественного регулирования, при котором плавно меняется температура теплоносителя, в то время как расход воды в системе отопления остается неизменным. Тепловой пункт На Украине бесшумные циркуляционные насосы, которые могли бы устанавливаться в тепловых пунктах зданий, не производятся, и потому практически все существующие здания, присоединенные к системам централизованного теплоснабжения, оборудованы элеваторным тепловым вводом. В отличие от электрического циркуляционного насоса насос водоструйный (элеватор) не способен обеспечить пропорциональное регулирование тепловой мощности, потому что при неизменяющемся сопле в нем происходит смешение при неизменной пропорции смешивающихся сред, в то время как процесс регулирования предполагает возможность изменения этой пропорции или, как принято называть, коэффициента смешения. По этой причине на Западе элеватор напрочь отвергнут как устройство для тепловых пунктов. Быть может это произошло еще и потому, что с бесшумными насосами там уже давно проблем никаких не возникает. Для реализации пропорционального регулирования в тепловом пункте устанавливают циркуляционные насосы, а смешение воды из подающего трубопровода тепловой сети с водой из обратного трубопровода системы отопления обеспечивается регулирующим клапаном, устанавливаемом на подающем трубопроводе, или трехходовым регулирующим клапаном, устанавливаемом в точке смешения. При применении микропроцессорной автоматики можно обеспечить таким способом достаточно эффективное центральное регулирование отопительных систем, хотя, следовало бы отметить, любое центральное регулирование многокомнатного здания не способно в полной мере решить задачу экономного расходования энергии столь же эффективно, как это можно было бы реализовать средствами регулирования местного. Говорят, что у элеватора низкий КПД, и это было бы справедливо, если бы для его работы необходимо было бы расходовать энергию. На самом деле для работы смешения используют имеющуюся разность давлений в трубопроводах теплоснабжения. Если бы не элеватор, то пришлось бы дросселировать поток теплоносителя, а дросселирование, как известно, - это чистая потеря энергии. Поэтому применительно к тепловым вводам элеватор - это не насос с низким КПД, а устройство для вторичного использования энергии, затраченной на привод циркуляционных насосов ТЭЦ или районной котельной. Несмотря на то, что современные бесшумные насосы сегодня свободно предлагаются иностранными фирмами на внутреннем рынке Украины, у нас проблем с этим оборудованием будет немало, если оценивать эти проблемы, глядя из темных подвалов и непролазных технических подполий миллионов построенных за последнее десятилетие жилых домов, детских садов, школ и других зданий. Поэтому стоит внимательнее присмотреться к знакомому всем элеватору, которому иногда приписывают недостатки, вовсе не свойственные. Неспособность обеспечить пропорциональное регулирование - это единственный недостаток элеватора, устройства, в целом, очень простого, надежного и непритязательного в эксплуатации. Говорят, что элеватор - это устройство, не способное обеспечить заданный коэффициент смешения, потому что сопло должно рассчитываться на имеющееся располагаемое давление в трубопроводах тепловой сети, а коэффициент смешения при этом будет такой, какой получится. К сожалению, на практике часто так и поступают, но это неправильная практика. Сопло не должно рассчитываться на имеющееся располагаемое давление. Избыточное давление должно устраняться регулятором перепада давления или дроссельной шайбой, а сопло элеватора должно подбираться таким образом, чтобы обеспечивался заданный расход воды в системе отопления. Хуже, когда на вводе нет достаточного для работы элеватора располагаемого давления. Так иногда бывает, но тогда и применять элеватор не следует. На тепловом вводе устанавливается теплосчетчик (поз. 1- . Сопло существующего элеватора 4 рассчитывается на обеспечение проектного смешения, а дроссельная шайба 5 -на погашение избыточного давления. В конце рабочего дня должен закрыться электромагнитный клапан 6, имеющий калиброванное отверстие для пропуска 5% теплоносителя при закрытом положении клапана. Одновременно закроется электромагнитный клапан 7, отключающий на часы нерабочего времени систему горячего водоснабжения от источника тепла. Электромагнитный клапан 8 откроется на короткое время перед началом рабочего дня для того, чтобы интенсивно нагреть помещения, остывшие за ночь. Проток теплоносителя через открытый клапан 8 лимитируется установленной рядом с ним дроссельной шайбой. Посмотрим теперь вновь на характер изменения расхода теплоносителя при программном регулировании тепловой мощности (рис. . Здесь не нужно никакого пропорционального изменения расхода сетевой воды, то есть не нужно ничего такого, с чем бы не справился элеватор. Это сразу открывает реальные возможности уменьшить теплопотребление в общественных зданиях, не прибегая к полной и дорогостоящей реконструкции имеющихся тепловых пунктов, которые могли бы быть оснащены так, как показано на рис. 7. Тепловой пункт включает в себя также обычные устройства (поз. 12-1 для горячего водоснабжения. К числу этих устройств отнесен также воздухосборник 15 с краном 16 для автоматического выпуска воздуха. Датчики температуры теплоносителя 9 и воздуха 10 дают информацию для электронного регулятора 11, имеющего встроенные часы (таймер). Регулятор командует открытием и закрытием электромагнитных клапанов 6, 7 и Команды могут формироваться на основе информации, полученной от датчиков температуры, установленных в двух контрольных помещениях, расположенных на различных фасадах здания, причем должна приниматься во внимание информация о температуре в самом холодном контрольном помещении, что весьма важно для тех случаев, когда один из фасадов обдувается сильным ветром. Можно воспользоваться также информацией о температуре воды в обратном трубопроводе, с тем, чтобы вычислять продолжительность возможного отключения системы отопления. Например, при температурах наружного воздуха выше +5 ОС регулятор может отключить систему отопления на всю ночь, а при температурах -15 ОС и ниже режим ночного программного регулирования можно отключить. Применение относительно емкого воздухосборника играет еще одну положительную роль. Если расположить датчик температуры системы горячего водоснабжения за воздухосборником так, как это показано на рис. 7, то система регулирования приобретает некоторую аккумулирующую способность, и это дает возможность применить электромагнитный клапан 8 не только для отключения водоподогревателя в нерабочее время, но и для поддержания температуры горячей воды на заданном уровне. Имеющийся опыт подтверждает такую возможность. Известно, что в системах горячего водоснабжения большую опасность представляет собой кислородная коррозия. Применяется много устройств, способных подавить эту коррозию (напр. катодная защита, силикатная обработка воды и др.), однако простейшим из таких устройств является воздухосборник с краном, установленные непосредственно после водоподогревателя. Кислород, выделившийся из подогретой воды, выходит в атмосферу до того, как он поступит в трубопроводы. Положительный опыт использования позиционного регулятора для пропорционального регулирования системы горячего водоснабжения дает основания для оптимизма при оценке возможности реализации погодного регулирования в системе отопления, обладающей еще большей инерционностью по сравнению с системой горячего водоснабжения. Если в нашей схеме (рис. регулятор 11 будет поддерживать требуемую температуру воды в обратном трубопроводе системы отопления при помощи электромагнитного клапана 6, то можно будет уменьшать теплопотребление не только ночью, но и в часы рабочего времени. Для того, чтобы в процессе погодного регулирования обеспечить 10-ти процентную экономию тепловой энергии, достаточно через каждую минуту прерывать поток теплоносителя на 6 секунд. В емкой водяной системе отопления такая пульсация теплового потока обусловит температурную пульсацию с амплитудами, которые останутся практически незамеченными. Электромагнитный клапан открывался по команде электронного регулятора при температуре горячей воды в тот момент, когда она опускалась ниже 52 ОС, и закрывался тогда, когда эта температура превышала 55ОС, такой разброс температур вполне допустим для большинства потребителей в жилых и общественных зданиях, и не всегда более сложные регуляторы способны поддерживать температуру горячей воды с большей степенью точности в системе, где водопотребление меняется непрерывно и непредсказуемо. Элеватор. Существующий элеватор, если он правильно подобран, не должен заменяться. Правильно подобранный элеватор должен обеспечивать проектный коэффициент смешения. Техника для модернизации теплопунктов Регулятор. В качестве регуляторов могут быть использованы контроллеры ФУТ (формирователь управляющего тока) производства КЦКБА (г. Киев), способные реализовать уменьшение теплопотребления по любой заданной программе. Регулирующий клапан. Электромагнитные клапаны диаметром условного прохода от 25 до 55 мм выпускаются предприятиями КИАРМ (г. Киев) и «Армапром» (г. Миргород). По информации КИАРМ клапаны могут быть изготовлены с калиброванным отверстием, рассчитанным на пропуск минимального (ночного) расхода теплоносителя, величина которого может составлять 5 - 10% от расчетного значения. Клапаны могут быть снабжены устройством, замедляющим процесс закрытия прохода теплоносителя, с тем, чтобы исключить возможность гидравлического удара. - присоединен к тепловой сети в соответствии с действующими нормами; Теплообменник. Существующий теплообменник горячего водоснабжения, выполненный из кожухотрубных 4-метровых (или 2-метровых) водоподогревателей с латунными трубками может не заменяться, если он: - выполняет свои функции должным образом; - находится в удовлетворительном техническом состоянии; Если хотя бы по одной из этих позиций выявлено несоответствие, теплообменник должен быть заменен на новый. - не занимает место, которое по мнению администрации могло бы использоваться более эффективно. При выборе типа теплообменника следует исходить из возможности применения: В случае, если в существующем пункте здания нет теплообменника, и горячее водоснабжение обеспечивается из центрального теплового пункта, расположенного за пределами здания, то целесообразно установить новый водоподогреватель в индивидуальном тепловом пункте здания. - пластинчатого теплообменника, например, типа ТОПР, выпускаемого Центром тепло- и водоснабжения(г. Киев); - кожухотрубного теплообменника старой конструкции с латунными трубками; Сопоставление этих типов теплообменников, выполненное по определяющим параметрам (рис. , не оставляет сомнений в том, что новая конструкция теплообменника с высокой плотностью теплового потока является несомненным лидером. - теплообменника ТТАИ с высокой плотностью теплового потока, выпускаемого предприятием «Теплообмен» (г. Севастополь). Возможности уменьшения теплопотребления общественными зданиями средствами программного регулирования определяется количеством зданий, в которых такое регулирование целесообразно реализовать, а также числом нерабочих дней в неделе, в течение которых возможно сократить теплопотребление. Оценка величины возможной экономии выполнена на примере одного из областных центров Украины. Анализ был выполнен раздельно по каждой из групп общественных зданий с учетом этажности (1-2 этажные здания, 3-4 этажные и дома высотой 5 этажей и более рассматривались отдельно) и времени их постройки (до 1958 года, в период от 1958 до 1980 и после 1980 года), полагая, что эти факторы влияют на величину удельного теплопотребления. Потенциал программного регулирования Потенциал энергосбережения, равный 34 тыс. Гкал в год, относится к областному центру, в котором имеется 869 жилых домов общей площадью 3,26 млн. кв.м. Если пересчитать потенциал областного центра на Украину в целом, где городской жилой фонд составляет 580 млн. кв.м, то средствами программного регулирования можно было бы сократить теп-лопотребление на 6 млн. Гкал в год. Результаты анализа представлены в таблице 1. Необходимые затраты На выработку 1 Гкал тепловой энергии в среднем по Украине расходуется 185,8 кг условного топлива , и экономия могла бы составить 1,7 млн. т, что эквивалентно 1,5 млрд. куб. м природного газа. Такое количество газа потребляют за целый год все ТЭЦ и районные котельные города Киева, чтобы обеспечить его теплом. Цена этому газу - 120 млн. долларов. Таким образом, для среднего областного центра с его 442 общественными зданиями хватило бы 0,5 млн. долларов для реализации программы модернизации элеваторных узлов тепловых пунктов общественных зданий, а для Украины, в целом, потребовалось бы примерно 90 млн. долларов со сроком окупаемости капитальных затрат около 2 лет. Чтобы модернизировать тепловой пункт среднего общественного здания, установив в нем необходимое для программного регулирования системы отопления оборудования, достаточно одной тысячи долларов (табл. . - установить во всех индивидуальных тепловых пунктах зданий водоподогреватели горячего водоснабжения с высокой плотностью теплового Через два года после завершения первого этапа модернизации тепловых пунктов, то есть после того, как начнется процесс накопления средств, сэкономленных на покупке газа, можно было бы приступить ко второму этапу, в результате которого необходимо: - установить эффективные регуляторы на системах горячего водоснабжения, способные экономить тепловую энергию, в том числе за счет средств программного регулирования; потока с тем, чтобы постепенно ликвидировать центральные тепловые пункты, занимающие площади дорогих земельных участков в городах, и вывести из эксплуатации ненадежные четырехтрубные тепловые сети; - установить на сетевых насосах - заменить в тепловых пунктах зданий физически и морально изношенную арматуру старого образца новыми современными; Стоимость этих мероприятий для Украины оценивается величиной 250 млн. долларов со сроком окупаемости около 2 лет. всех районных котельных преобразователи частоты электрического тока с тем, чтобы тепловые сети были способны адекватно и энергетически рационально реагировать на колебания расхода теплоносителя в системе теплоснабжения, вызванные местным регулированием на индивидуальных тепловых пунктах. Л.А. Семенов. Теплоустойчивость и печное отопление жилых и общественных зданий. Машстройиздат, Москва, 1950. Литература: В.Н. Богословский, А.Н.Сканави. Отопление. Стройиздат, Москва,1991. В.Н. Богословский. Тепловой режим здания. Стройиздат, Москва,1079. Энергетика и электрификация. № 6, Киев, 1999. Н.М. Зингер, В.Г. Бестолченко, А.А.Жидков. Повышение эффективности работы тепловых пунктов.

1

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.

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:

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

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:

• 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

1. 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.
2. 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.
3. 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.
4. 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»