Сканави А.Н., Махов Л.М. Отопление, 2002

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.

Вотапливаемых 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.

Восновных 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

481

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 [6].

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).

Будем считать, что к концу рабочего дня относительная влажность воздуха в помещениях при температуре 20 °С составляет 40 % (в соответствии с требованием СНиП).

482

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<Qпот). Поэтому на рисунке изображено, что в течение рабочего периода (в режиме вентилирования без изменения температуры приточного воздуха) температура воздуха помещения понижается при возрастании радиационной температуры tR. Показано также, что отопительная установка мощностью qqt, значительно превышающей величину теплопотерь помещения, включается до начала работы (режим натопа). Отопительная установка включается также в промежутке между последним рабочим днем недели (пятница) и первым рабочим днем новой недели (понедельник), когда температура помещения tп понижается до установленного минимального уровня (tмин на рисунке).

Продолжительность нагревания помещения отличается в рабочие дни и после воскресенья, так как исходная температура помещения различна.

483

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.

485

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.

486

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.

487

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 [1]; 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-

488

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.

Входе 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?

489

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,

рис. 5.24).

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-

490