солнечных коллекторов и аккумуляторов в схеме с тепловым насосом расход первичной энергии по сравнению с традиционным решением может быть сокращен в 3...4 раза.
§ 19.4. Экономия теплоты при автоматизации работы системы отопления
При работе распространенных систем водяного и воздушного отопления централизованные теплозатраты на отопление можно сократить, если использовать для обогревания помещений дополнительные местные теплопоступления. Существенной экономии теплозатрат достигают, применяя автоматическое регулирование теплового потока поступающего в систему отопления. Блоки автоматизации действия системы отопления включают в общую автоматизированную систему управления (АСУ) работой инженерного оборудования здания (см. § 19.1).
Теплопоступления от различных дополнительных источников можно считать избыточными, если они вызывают повышение температуры воздуха в рабочей (обслуживаемой) зоне сверх средней оптимальной, установленной по назначению помещения. Например, сверх 21 °С в обслуживаемой зоне жилых, общественных и административно-бытовых помещений, когда люди находятся в них более 2 ч непрерывно.
В отапливаемых жилых зданиях к дополнительным теплопоступлениям относятся:
часть теплолоступлений от систем водяного отопления при температуре наружного воздуха выше температуры точки излома графика регулирования температуры воды в теплофикационных сетях (см. рис. 17.3);
часть бытовых тепловыделений, вызывающих повышение температуры воздуха в жилых комнатах сверх 21 °С (обычно при температуре наружного воздуха выше расчетной для проектирования отопления);
теплопоступления от солнечной радиации.
В основных помещениях общественных зданий вместо бытовых тепловыделений имеются периодические теплопоступления от работающих людей и электрического освещения. В помещения производственных зданий в рабочее время поступает также теплота от электрического оборудования и технологических процессов, Мощность этих дополнительных теплоисточников изменяется во времени, понижаясь до минимального значения в ночное и нерабочее время. При нестационарном характере теплопоступлений часть теплоизбытков поглощают наружные и внутренние ограждения, а также оборудование помещений. Чем больше теплоемкость ограждений помещений, тем больше они поглощают теплоизбытков, что уменьшает амплитуду колебания температуры воздуха. При этом, как следствие, роль автоматического регулирования теплоподачи в систему отопления снижается.
Как известно, регулирование теплоподачи в систему отопления можно осуществлять в системе здания в целом, в пофасадных частях системы, в горизонтальных поэтажных ветвях или путем индивидуального регулирования теплоотдачи отдельных отопительных приборов и агрегатов.
Автоматизированное регулирование теплоподачи в систему водяного отопления здания в целом, осуществляемое в тепловом пункте при вводе наружных теплопроводов, позволяет корректировать график центрального качественного регулирования (см. рис. 17.3) и частично учитывать теплопоступления от солнечной радиации. Исследования, проведенные в системе водяного отопления 16-этажного жилого здания в Москве, показали, что теплоподача по скорректированному графику регулирования позволяет экономить 4,3 °/о
расхода теплоты за четыре последних месяца отопительного сезона. За весь сезон в условиях Москвы экономия при этом доходит до 6...8 %.
Автоматизированное пофасадное регулирование частей системы отопления сопровождается дальнейшим сокращением теплозатрат (до 12 %) по сравнению с теплозатратами при обычном центральном качественном регулировании. Об этом свидетельствуют результаты натурных наблюдений. В Москве обследована автоматизированная система водяного отопления 16-этажного жилого здания. В солнечный день при температуре наружного воздуха около -4 °С теплоподача в помещения юго-восточного фасада здания уменьшалась в 2,5 раза по сравнению с теплоподачей при центральном изменении температуры теплоносителя. Суточный расход теплоты сокращался на 25 %.
При пофасадном регулировании контроль работы частей системы отопления проводят по трем-четырем неблагоприятно расположенным (обычно недогревающимся) помещениям. Это вызывает перегревание других помещений.
Более эффективно в отношении экономии тепловой энергии автоматическое регулирование теплоподачи в отдельные крупные помещения горизонтальными поэтажными ветвями системы водяного отопления. При таком поэтажном регулировании температура воздуха в обслуживаемых помещениях поддерживается на заданном уровне с помощью регуляторов прямого действия с точностью ± 1,5 °С.
Аналогично по эффективности автоматическое регулирование теплоподачи индивидуальными регуляторами, устанавливаемыми на теплопроводах отопительных приборов или агрегатов (см. § 4.9). При таком способе регулирования полезно используются (в отношении экономии теплозатрат на отопление) теплопоступления в помещения от людей, бытовых приборов, солнечной радиации, электрического освещения и оборудования и других источников, а также учитывается неблагоприятное воздействие ветра.
Особенно существенная экономия теплоты достигается при прерывистом отоплении зданий с переменным режимом работы.
§ 19.5. Прерывистое отопление зданий
В зданиях и сооружениях с переменным тепловым режимом (см. § 15.3) прибегают к понижению температуры помещений в нерабочие периоды суток. Для этого применяют прерывистое отопление с понижением или полным отключением теплоподачи.
При сокращении теплопоступлений от системы отопления по сравнению с теплоподачей в рабочий период суток в помещениях наблюдаются колебания температуры воздуха и радиационной температуры. Охлаждение помещений при отключении отопления рассмотрено в .
В сухих производственных помещениях возможно понижение температуры в нерабочий период до 5 °С. В помещениях общественных зданий можно также допустить в нерабочий период суток понижение температуры, но до такого уровня, чтобы избежать конденсации водяного пара воздуха на внутренней поверхности наружных ограждающих конструкций (за исключением световых проемов).
Исходя из этого, найдем, что понижение температуры помещений в нерабочий период времени возможно до 8...10 °С. Примем (с запасом) минимально допустимую температуру таких помещений равной 12 °С.
Для переменного теплового режима рабочих помещений характерна суточная периодичность. В течение суток выделим рабочий период, когда внутренние теплопоступления (например, от людей, оборудования) в той или иной мере возмещают теплопотери и требуется главным образом вентиляция помещений (в помещениях преобладает режим вентилирования). Нерабочий период разделим на период естественного охлаждения помещений, когда отопление отключено, и отсутствуют какие-либо теплопоступления (режим охлаждения), и период усиленного нагревания помещений перед началом работы (режим нагревания или, как говорят, "натопа"). Продолжительность этих периодов различна. Если режим вентилирования длится 8 или 16 ч (две смены), то продолжительность режима натопа зависит от температуры наружного воздуха и тепловой мощности системы отопления. Соответственно увеличивается или уменьшается продолжительность периода охлаждения.
Устанавливается также недельная периодичность теплового режима, связанная с суб- ботне-воскресным (или только воскресным) перерывом в работе. Недельная периодичность нарушается только в дни праздников.
На рис. 19.6 показано изменение тепловыделений Qвыд
температуры воздуха tв
и радиационной температуры tR
помещения, в котором работают от 9 до 18 ч пять дней в неделю, при условно постоянных теплопотерях Qпот
. Принято, что теплопоступления несколько меньше теплопотерь (Qвыд
Продолжительность нагревания помещения отличается в рабочие дни и после воскресенья, так как исходная температура помещения различна.
Рис. 19.6. Изменение теплового и температурного режимов рабочего помещения в течение четырех дней недели в зимнее время: а - изменение теплопоступлений; б - изменение температурных параметров
Прерывистая теплоподача вызывает периодические изменения температуры помещения, зависящие от теплотехнических свойств его ограждений, величины и продолжительности теплопоступлений. Конвективная теплота от отопительной установки поступает в воздух помещения и от него передается внутренней поверхности ограждений. Температура воздуха и радиационная температура несколько отличаются, и их изменение не совпадает во времени (см. рис. 19.6, б).
Для расчета изменения температуры воздуха и радиационной температуры ограждений помещения определяют показатели теплоусвоения Yпом и теплопоглощения Рпом помещения.
Показатель теплоусвоения помещения Yпом , Вт/°С, характеризующий изменение температуры внутренней поверхности всех ограждений, находят в зависимости от коэффициента теплоусвоения Yx , Вт/(м2 ·°С), для поверхности отдельных ограждений
где Аi - площадь i-того ограждения помещения.
Показатель теплопоглощения ограждений Рогр , Вт/°С, выражающий изменение температуры воздуха помещения, вычисляют с учетом коэффициента теплопоглощения для каждого ограждения, а также коэффициента прерывистости теплового потока Ω :
Коэффициент прерывистости определяют в зависимости от отношения продолжительности нагревания (натопа) к общей продолжительности не рабочего периода (например, 16 ч при односменной работе).
В формулу (19.10) входит также величина Λпом , Вт/°С - показатель интенсивности конвективного теплообмена на всей площади поверхности ограждений помещения, вычисляемый по формуле
где αк ср - осредненный по поверхности всех ограждений коэффициент конвективного теплообмена (в зимних условиях - 4,0 Вт/(м2 ·°С)).
Таким образом, теплоустойчивость помещения можно характеризовать отношением показателей Yпом и Λпом , входящих в уравнение (19.10). Установим возможные значения пока-
зателя теплоустойчивости помещения Yпом /Λпом при его ограждающих конструкциях из различных распространенных материалов (табл. 19.2).
Таблица 19.2. Показатель теплоустойчивости помещения при использовании различных материалов в его ограждающих конструкциях
При прерывистом отоплении минимальная температура помещения, которая устанавливается к концу периода отключения отопления (режима охлаждения), зависит от теплоустойчивости, а также теплозащитных свойств наружных ограждений этого помещения.
На рис. 19.7 даны обобщенные результаты расчетов минимальной температуры воздуха в четырех помещениях площадью около 50 м2 с тремя окнами (с двойным и тройным остеклением) и ограждениями, выполненными по вариантам, приведенным в табл. 19.2. При расчетах принято: температура наружного воздуха tн =-20 °C, работа в помещениях односменная, помещения рядовые на среднем этаже здания, отопление помещений отключено в конце работы.
Видно, что минимальная температура воздуха после прекращения отопления в течение 16 ч существенно зависит как от теплоустойчивости помещений, так и их теплозащиты. По мере возрастания этих показателей повышается и минимальная температура воздуха, т.е. замедляется охлаждение помещений. Можно также установить, что для обеспечения в режиме охлаждения минимальной температуры 12 °С следует стремиться к повышению теплоустойчивости и теплозащитных свойств ограждений помещений.
С другой стороны, при повышении теплоустойчивости помещений экономия теплоты в условиях прерывистого отопления будет сокращаться. Это объясняется сохранением в режиме охлаждения повышенного уровня теплопотерь через ограждения вследствие более высокой температуры помещений. Кроме того, при повышении теплоустойчивости (увеличении показателя Yпом /Λпом ) придется прибегать к более продолжительному нагреванию
помещений перед началом работы с соответствующим сокращением продолжительности периода охлаждения. Расчеты показывают, что при прерывистом отоплении помещений повышенной теплоустойчивости теплозатраты возрастут на 4...5 % по сравнению с затратами на отопление помещений пониженной теплоустойчивости.
Экономия теплоты, получаемая при переменном тепловом режиме, зависит не только от теплозащитных свойств ограждающих конструкций помещений, но и от тепловой мощности системы отопления. Применение переменного теплового режима при повышенных теплозащитных свойствах ограждений обеспечивает дополнительную экономию теплоты вследствие сокращения продолжительности натопов и даже устранения промежуточных натопов (см. рис. 19.6) в условиях длительного охлаждения помещений в воскресные и праздничные дни. Продолжительность периода охлаждения может быть в этих случаях увеличена вследствие относительного повышения минимальной температуры воздуха в помещениях (на рис. 19.7 на 2,5...3°С).
Повышение тепловой мощности системы прерывистого отопления (по сравнению с мощностью постоянно действующей системы) при прочих равных условиях позволяет в еще большей мере экономить теплоту. Расчеты для крупного административного здания в климатических условиях Москвы показывают, что при увеличении тепловой мощности системы отопления (коэффициента натопа) от 1,3 до 1,7 раза сокращается продолжительность натопа и экономия теплоты в год повышается, соответственно, с 15,4 до 19%.
Рис. 19.7. Зависимость минимальной температуры воздуха после ночного охлаждения (без отопления) от теплоустойчивости помещений, имеющих окна с двойным (сплошная линия) и тройным (пунктирная линия) остеклением, при tH =-20 °С
Дополнительные затраты на увеличение тепловой мощности системы прерывистого отопления окупаются за счет уменьшения эксплуатационных расходов достаточно быстро, особенно при повышенной стоимости тепловой энергии и продолжительном отопительном сезоне.
Коэффициент натопа целесообразно увеличивать до 2...2,2 и выше, ограничивая его величину располагаемой мощностью теплового ввода в здание, рассчитанной на покрытие теплозатрат как на отопление, так и на вентиляцию в рабочее время. При этом мощность теплоисточника останется без изменения. Изменится лишь суточный график отпуска теплоты с общей экономией ее в течение отопительного сезона. Общая экономия теплоты в течение отопительного сезона при прерывистом отоплении различных зданий составляет 20...30 % по сравнению с теплозатратами на постоянное отопление.
Система прерывистого отопления может быть чисто воздушной, когда установки приточной вентиляции используются в предрабочий период времени для натопа в рециркуляционном режиме. Более гибкой в эксплуатации является двухкомпонентная система комбинированного отопления (см. § 18.4). Такая система состоит из базисной (фоновой) части в виде водяного отопления (особенно при расположении рабочих мест близ световых проемов) и догревающей части - воздушного отопления для натопа. Водяное нерегулируемое отопление предназначено для постоянного использования с выравниванием теплонедостатка в различно расположенных помещениях здания. Воздушное отопление осуществляется установкой приточной вентиляции в рециркуляционном режиме, что ограничивает ее тепловую мощность при натопе.
Расчет двухкомпонентной системы прерывистого отопления заключается не только в определении тепловой мощности ее частей, но и в выявлении расчетного режима ее работы. Такой расчет проводят в суточном разрезе при различной температуре (через 5 °С) наружного воздуха в течение отопительного сезона.
Работу догревающей части системы отопления автоматизируют с программным управлением для выдерживания расчетного режима. На случай неожиданного резкого понижения температуры наружного воздуха в контрольных помещениях устанавливают датчики минимальной температуры. По сигналу от них включается допревающая часть системы отопления в дополнительный режим натопа помещений (например, на 10 °С). Эти же датчики используются в воскресные и праздничные дни.
Для примера приведем расчетные режимы работы двух различных по мощности комбинированных водовоздушных систем отопления учебного здания (при тройном остеклении окоп и показателе теплоустойчивости учебных помещений Yпом /Λпом =l,95).
1-я система с коэффициентом натопа 1,5. Базисная (водяная) часть системы отопления работает только при отрицательной температуре наружного воздуха. Догревающая (воздушная) часть с коэффициентом натопа 1,5 включается ежедневно при tн =-20 °С на 5 ч (на 13 ч после воскресенья), а пря tн =0 °С - на 1 ч (на 3 ч после воскресенья).
2-я система с коэффициентом натопа 3,0. Базисная (водяная) часть системы работает только при tн =-l О °С и ниже. Догревающая (воздушная) часть включается ежедневно при tн =-20 °С на 2 ч (на 6 ч после воскресенья), при tн =-l 1,5 °С - на 1 ч (на 4 ч после воскресенья), при tн =0 °C и отключенной базисной части - на 2 ч (на 5 ч после воскресенья).
§ 19.6. Нормирование отопления жилых зданий
Жилые здания в городах страны являются одним из основных потребителей теплоты в системах централизованного теплоснабжения. Важной технико-экономической и социальной задачей становится нормирование теплозатрат на отопление этих зданий при обеспечении теплового комфорта в помещениях.
Нормирование теплоподачи в жилые здания делают с целью упорядочения расхода теплоты на отопление и обеспечения экономии теплоты в течение отопительного сезона путем сокращения бесполезных теплопотерь. Нормирование можно проводить на основе существующей структуры управления жилищным хозяйством городов, используя ее основные элементы: информационно-вычислительный центр, центральный, районные и оперативные диспетчерские пункты жилы%микрорайонов.
При проведении нормирования теплоподачи сравнивают фактическое теплопотребление на отопление жилых зданий за некоторый установленный предшествующий период времени с расчетной теплопотребностью зданий. Сравнение делают с учетом действительных климатических условий в течение контрольного периода времени и теплотехнических особенностей жилых зданий в микрорайоне. При этом выявляют и устраняют причины несогласования фактических теплозатрат и нормы теплопотребления. Расчет нормы теплопотребления за контрольный период отопительного сезона (не менее месяца) для группы жилых домов, обслуживаемых одним центральным тепловым пунктом (ЦТП), выполняют в информационно-вычислительном центре (ИВЦ), При этом используют данные об обогреваемом объеме жилых зданий, числе людей, проживающих в этих зданиях, расчетной мощности системы горячего водоснабжения, времени работы нежилых объектов в микрорайоне и др., а также о фактических климатических условиях.
Норма теплопотребления складывается из расходов теплоты на отопление и горячее водоснабжение. Норму теплоподачи на отопление зданий устанавливают, исходя из суточной нормы, определяемой по формуле
где N - число групп жилых зданий с отличающимися теплотехническими характеристиками; qот.N - удельный показатель теплозатрат на отопление данной группы зданий, кДж/(сутм3·°С); VN - общий отапливаемый объем зданий данной группы, м3; tв.опт - оптимальная температура внутреннего воздуха в жилых зданиях, принимаемая по главе СниП ; tн.ср - среднесуточная температура наружного воздуха по данным срочных измерений на ближайшей к ДТП городской метеостанции, °С.
Показатель qo.N , кДж/(сут·м3 ·°С), учитывает отдельные составляющие теплового баланса здания
где qo.N , qБ.N - удельные показатели теплопотерь через ограждающие конструкции зданий и на нагревание инфильтрующегося воздуха через окна и двери здания; qб.N - удельный показатель теплопоступленнй от внутренних бытовых теплоисточников.
Составляющие формулы (19.13) рассчитывают по зависимостям, получаемым с учетом теплотехнических свойств и особенностей воздушно-теплового режима зданий, входящих в разные группы.
Фактические теплозатраты зданий за контрольный период времени определяют по показателям теплосчетчиков (тепломеров), установленных на вводах городских теплопроводов в ЦТП. Контрольный период выбирают в начале отопительного сезона при температуре наружного воздуха выше расчетной для отопления. Проведению измерений должна пред-
шествовать тщательная наладка системы отопления в ходе подготовки зданий к работе в условиях отопительного сезона.
При недоиспользовании расчетной нормы теплопотребления (при отсутствии жалоб населения на недогревание помещений) устанавливают источники дополнительной экономии теплоты. Опыт экономной эксплуатации может быть распространен на другие жилые микрорайоны.
Превышение фактических теплозатрат за контрольный период времени над расчетной нормой теплопотребления будет свидетельствовать о перерасходе теплоты и имеющихся в жилых зданиях скрытых резервах для ее экономии. Тогда на основании обследований и последующего анализа состояния наружных ограждений, тепловыделяющего и теплопотребляющего оборудования составляют перечень мероприятий по сокращению теплозатрат на отопление зданий микрорайона.
В ходе обследования зданий устанавливают состояние оборудования ЦТП, внутриквартальных тепловых сетей, индивидуальных тепловых пунктов, тепловой изоляции в зданиях, их ограждающих конструкций (стен, окон, перекрытий), входных дверей и лестничных клеток.
При обследовании систем отопления зданий после их приведения в проектное состояние необходимо проверить:
исправность регулятора расхода теплоносителя на тепловом вводе;
состояние тепловой изоляции труб в технических подвалах и на чердаках;
размеры горловины и сопла элеватора и их соответствие рассчитанным при наладке системы отопления значениям;
исправность действия регулирующей арматуры у отопительных приборов;
наличие самовольно установленных жителями дополнительных отопительных приборов;
технические показатели циркуляционных насосов;
наличие воздуха в верхних магистралях и отопительных приборах;
плотность соединений в оборудовании, арматуре и фасонных частях труб;
уровень температуры возвращаемой из системы отопления воды (см. § П.2);
наличие горизонтальной и вертикальной разрегулировки системы;
недогревание или перегревание отдельных помещений путем массового термографирования внутреннего воздуха в квартирах.
В ходе обследования учитывают, что перерасход теплоты может сопровождаться сверхнормативным снижением температуры в отдельных помещениях, причинами чего может быть вертикальная и горизонтальная разрегулировка систем отопления.
Подтверждением эффективности мероприятий, проводимых эксплуатирующими организациями по сокращению бесполезных теплопотерь, служит последовательное сокращение фактических теплозатрат по сравнению с нормируемой теплоподачей на отопление зданий.
КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ И УПРАЖНЕНИЯ
1. Какие градоустроительные приемы снижают затраты на отопление здания?
2. Как изменением объемно-планировочного решения здания можно сэкономить тепловую энергию?
3. Какими мерами можно уменьшить теплопотери через наружные стены, окна, перекрытия здания?
4. В чем смысл теплового экрана в наружном ограждении? Предложите возможные схемы решения.
5. В чем сущность оптимизации вариантов отопления здания с учетом эффективности системы?
6. Что такое АСУ теплового режима здания?
7. Изобразите принципиальные схемы регулирования температуры воды, поступающей в систему отопления "по возмущению" и "по отклонению".
8. Перечислите факторы, способствующие экономии теплоты при проведении прерывистого отопления зданий,
ГЛАВА 20. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРИРОДНОЙ ТЕПЛОТЫ В СИСТЕМАХ ОТОПЛЕНИЯ
§ 20.1. Системы низкотемпературного отопления
Низкотемпературными называются системы отопления, температура теплоносителя на входе в которые не превышает 70 °С. В таких системах могут использоваться как традиционные, так и нетрадиционные теплоисточники, среди которых могут быть солнечная радиация, теплота уходящих газов и воздуха, низкопотенциальных сред (воды, воздуха).
Низкотемпературные системы отопления до сих пор не получили широкого распространения в России, несмотря на их экономические преимущества. Препятствием для распространения является увеличенный расход металла вследствие развития площади нагревательных поверхностей.
Системы низкотемпературного отопления подразделяют в зависимости от способа нагревания теплоносителя на однокомпонентные, имеющие однотипные теплоприготовительные установки, и комбинированные (см. § 18.4), имеющие две разнотипные теплоприготовительные установки (например, солнечная теплонасосная установка и электрический теплообменник).
Системы низкотемпературного отопления по виду применяемого теплоносителя могут быть водяными, паровыми и воздушными.
Низкотемпературные системы водяного отопления выполняют, как правило, насосны-
ми из-за незначительности действующего гравитационного давления. По своей конструкции они не отличаются от обычных систем водяного отопления. Из-за малого перепада температуры воды низкотемпературные системы водяного отопления устраивают, как правило, только двухтрубными и желательно с открытым расширительным баком, который хорошо изолируют и снабжают циркуляционной линией (см. рис. 3.19). При отсутствии чердака возможна также установка закрытого расширительного бака (см. рис. 3.20). Для удаления воздуха из систем с нижней разводкой предусматривают воздушную линию (см. рис. 6.4, б) или воздушные краны непосредственно у отопительных приборов (см,
При использовании нетрадиционных теплоисточников периодического действия (солнечная энергия, сбросная теплота технологического процесса) в систему низкотемпературного водяного отопления включают теплоаккумуляторы с жидкими и твердыми заполнителями, а также теплоаккумуляторы, использующие теплоту фазовых превращений, или термохимические. В теплоаккумуляторах с жидкими и твердыми заполнителями (вода, незамерзающие жидкости - водный раствор этиленгликоля, глизаптин, гравий и др.) теп-
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.
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.
1Проведен 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
- 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» 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.
