Книги / Махов Л.М. Отопление учеб. для вузов

энергии до 20 % при окупаемости дополнительных капитальных вложений в течение око- ло одного года.

§ 19.2. Повышение эффективности отопления здания

Заключительным этапом алгоритма разработки здания с эффективным использованием энергии является оценка эффективности принятого способа отопления как составной час- ти системы кондиционирования микроклимата (СКМ) здания. На это направлены рас-

смотренные в данном разделе инженерные приемы.

Комплексное свойство СКМ здания эффективно выполнять свои функции является обыч- но вероятностной характеристикой. Эффективность системы отопления (см. гл. 15) оп- ределяется тремя основными свойствами: надежностью, управляемостью (или устойчиво- стью), обеспеченностью.

Надежность - вероятностное обеспечение безотказной работы механической части систе-

мы отопления, ее конструктивных узлов и элементов при эксплуатации в пределах рас-

четных 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 откло- нений расчетных внутренних условий в здании.

Другие свойства системы отопления, влияющие на эффективность ее работы, могут быть учтены при рассмотрении указанных основных свойств.

Имеются ограниченные сведения о надежности как показателе безотказной работы узлов и элементов системы отопления. Имеются данные о гидравлической и тепловой устойчи- вости системы отопления и ее управляемости в процессе эксплуатации.

Обеспеченность расчетных условий в здании зависит от того, с каким коэффициентом

обеспеченности рассчитаны и запроектированы система отопления и защитные свойства

здания.

Теория эффективности позволяет определить логически очевидные вероятностные пока- затели выдерживания заданных условий в здании, установить число случаев и общую продолжительность отклонений, а также наиболее невыгодное (наибольшее) разовое от-

клонение внутренних условий от расчетных.

Отдельные составляющие комплексного свойства эффективности могут быть получены расчетом или по экспериментальным данным, натурным наблюдениям. Они должны быть

определены вероятностными показателями К, которые учитывают или число случаев п,

или общую продолжительность во времени отклонения условий в помещении от расчет-

ных Ах, в единой форме записи (в одном масштабе отнесения) в виде

где N и 2 - общее число случаев или общая продолжительность рассматриваемого периода работы системы отопления (отопительный сезон, 50-летний период работы и т.д.).

481

Комплексное свойство эффективности КЭф, как совокупность вероятностных показателей свойств надежности Кнад, управляемости Купр и обеспеченности К0б [6], учитывая их отно-

сительную независимость, можно определить в виде

Показатель эффективности КЭф в зависимости от функционального назначения здания оп- ределяет социальный и производственный ущерб за счет не выдерживания требуемых

внутренних условий в помещениях. В связи с этим эффективность является не только со-

вокупным качественным свойством системы, но она прямым образом связана с технико-

экономическими, в том числе энергетическими ее показателями. Чем меньше Кэф, тем ни-

же качество отопления и больше социально-производственный ущерб.

Поэтому, проводя технико-экономическое сравнение вариантов и выбор оптимального

решения по приведенным затратам (см. § 15.2), необходимо наряду с капитальными вло-

жениями К и эксплуатационными затратами Э учитывать также эффективность отопления

в форме ущерба У. Тогда приведенные затраты П, определяющие оптимальный вариант

системы отопления, должны рассчитываться по формуле (см. формулу (15.2))

где М - принятый показатель отнесения всех затрат (например, единицы продукции, пло-

щади, объема здания).

Учет эффективности различных решений системы отопления при определении приведен- ных затрат позволяет проводить технико-экономическую оценку и сопоставление воз- можных вариантов, не равнозначных по своим качественным показателям, что значитель- но расширяет область поиска оптимального решения. Важно оценивать экономичность отопления не только в денежном выражении, но и совокупным энергетическим показате- лем, включающим оценку материалов, трудовых, транспортных и других производствен- ных затрат на заготовку, монтаж и эксплуатацию всех элементов системы отопления зда-

ния.

§ 19.3. Теплонасосные установки для отопления

Для рационального использования энергии в системах отопления зданий целесообразно, как и при электрическом отоплении (см. § 14.4), применять тепловой насос. Предпосыл-

кой эффективного использования тепло-насосных установок (ТНУ) является всесторон-

ний учет всех внутренних и внешних условий протекания процесса отопления здания.

Энергетическая эффективность теплового насоса оценивается с помощью коэффициента преобразования цп энергии (формулы (14.9) и (14.10)). Коэффициент использования ци энергии тепловых насосных установок зависит от разности температуры АТ = Тк - Ти (Тк - температура конденсации, Ти - температура испарения) и совершенства конструкции ус- тановки:

482

где вс - коэффициент преобразования идеального термодинамического цикла Карно

Рр - степень термодинамического совершенства реального процесса в теплонасосной уста-

новке.

На рис. 19.1 представлены приблизительные соотношения показателей идеального цикла Карно и г)и действующих теплонасосных установок.

М7

30

20

10

3

6

*

4

2

вания энергии действующих теплонасосных установок: 1 - коэффициент использования энергии; 2 - коффициент преобразования

Тепловые насосы (компрессионные, сорбционные, термоэлектрические, газовые, струй-

ные, комбинированные) работают на различных источниках энергии, поэтому базой для сравнения их энергетической эффективности может служить первичная энергия, получен-

ная в установках на органическом или ядерном топливе.

Коэффициент использования первичной энергии п.э находят как отношение полезной энергии, поступающей в распоряжение потребителя, к подведенной первичной энергии, не подверженной никаким энергетическим преобразованиям,

483

где г)к - коэффициент полезного действия электростанции, котла или другого устройства для получения первичной энергии.

Например, коэффициент использования первичной энергии компрессионными и сорбци-

онными тепловыми насосами будет в двух случаях приблизительно равен 0,9.если в пер-

вом случае г|„=3 на базе электростанции (г|к=0,3), а во втором г|„=1,4 при КПД котла

Лк=0,65.

В целях экономии энергии следует применять в системах отопления ТНУ, обеспечиваю-

щие высокую степень использования первичной энергии г|пэ. В табл. 19.1 приведены ми-

нимальные значения т|пэ для некоторых видов отопления.

Таблица 19.1. Значения коэффициентов использования энергии для некоторых ви-

дов отопления

Вид отопления Дл.Э

где Рот - сеченная потребность системы отопления в тепловой энергии.

Коэффициент использования, превышающий единицу, может быть достигнут в системе отопления только с помощью теплового насоса.

Высокая эффективность использования первичной энергии в отоплении с ТНУ достигает- ся тогда, когда коэффициент и превышает минимальные значения, приведенные в табл. 19.1. Из рис. 19.1 видно, что коэффициент преобразования реально действующих теплона-

сосных установок превышает минимальные значения по табл. 19.1 при ДТ<60...70 °С. При понижении ДТ значения ци заметно возрастают.

Температура испарения Ти зависит от температуры источника окружающей среды, а тем-

пература конденсации Тк определяется рабочей температурой у потребителя (например,

температурой теплоносителя в подающей линии системы отопления). Таким образом, ис-

пользование теплоты окружающей среды с помощью теплового насоса при небольшой разности температуры АТ (50...60 °С и ниже) не требует большого расхода первичной

энергии.

Источником теплоты для тепловых насосов является окружающая среда, энергетический уровень которой различен в зависимости от места расположения объекта и времени суток

и года. Это определяется действием солнечней радиации, геотермальной энергией, энер-

гией гравитационного поля и вращения Земли, а также энергией отходящей теплоты энер-

484

гетических и технологических установок. Поэтому энергию окружающей среды необхо-

димо использовать только в определенных местах и в определенные периоды времени

(рис. 19.2). Это могут быть местные со сравнительно высокой температурой источники

энергии: почвы, грунтовые и поверхностные воды, окружающий воздух, а также потоки

энергии перед выравниванием их температуры с температурой окружающей среды (сол-

нечная энергия, отработавшая теплота промышленных установок, отработавший воздух,

сточные воды). Кроме того, источником может быть и аккумулированная низкотемпера-

турная теплота, используемая периодически или после аккумуляции.

X

Рис. 19.2. Окружающая среда - источник тепловой энергии для теплового насоса: 1 - сол- нечные лучи; 2 - гравитация; 3 - вращение Земли; 4 - геотермальная почва; 5 - грунтовые

воды; 6 - поверхностные воды и водоемы; 7 - бытовые сточные воды; 8 - внутренний воз-

дух; 9 - отходящая, использованная теплота энергетических и технологических установок; х - место целесообразного забора низкопотенциальной энергии для теплового насоса

Температура в помещении может незначительно отличаться от температуры источников окружающей среды, поэтому низкотемпературные системы отопления (§ 20.1) являются особенно подходящими объектами для использования ТНУ. При соответствующем расче-

те и технико-экономическом обосновании в низкотемпературных системах отопления мо-

гут использоваться практически все виды отопительных приборов, а также агрегаты воз-

душного отопления. Подходящими для низкотемпературных систем являются панельно-

лучистые приборы, совмещенные с ограждающими конструкциями.

В системах отопления здания необходимо целенаправленное распределение потоков энер-

гии с применением различного вида энергетических сопряжений. Они могут быть в виде

последовательного и параллельного соединения, с помощью смесителей, теплообменни-

ков и посредством теплового насоса. На рис. 19.3 показаны возможности сопряжения по-

токов энергии различных сред внутри и вне здания. Благодаря действию теплового насоса эффективность системы отопления возрастает при снижении поступления энергии извне.

Следует иметь в виду, что тепловые насосы требуют комплексного территориального ис-

пользования с возможно большей продолжительностью работы в течение года. Целесооб-

разное размещение тепло- и холодопотребителей и их присоединение в системе с тепло-

выми насосами и холодильными машинами позволяют получить значительный экономи- ческий эффект.

485

Л 6 5

Рис. 19.3. Сопряжение потоков энергии различных сред внутри и вне здания: 1, 1’ - отап-

ливаемые, кондиционируемые и вентилируемые помещения; 2, 2' - прочие потребители теплоты и холода; 3 - солнечные лучи; 4 - внутренний удаляемый воздух; 5 - бытовые и

технологические воды; 6 - грунтовые воды; 7 - геотермальные источники; 8 - водоемы; 9 -

наружный воздух; 10 - холодильная машина и тепловой насос; 11 - регенераторы, рекупе-

раторы и другие теплоутилизаторы; 12 - смесители; 13 - солнечные коллекторы и абсорбе-

ры

Наряду с оценкой энергетической целесообразности определяют также общий экономиче-

ский эффект от перехода к отоплению с ТНУ. Для этого наряду с эксплуатационными (в

основном энергетическими) затратами устанавливают дополнительные капитальные за-

траты на устройство ТНУ и оценивают общий экономический эффект сроком окупаемо-

сти дополнительных первичных капитальных вложений за счет экономии энергии в про-

цессе эксплуатации системы. Расчеты показывают, что срок окупаемости ТНУ всегда мал

(1,5...3 года) и ниже нормативного срока окупаемости, принятого для систем отопления.

Всуществующих системах центрального теплоснабжения, особенно при их вынужденном

расширении, отмечают рост затрат на транспортирование тепловой энергии. Значительно

увеличиваются удельные затраты на теплопроводы относительно среднегодовой стоимо-

сти тепловой энергии. В связи с этим целесообразно повышение удельной пропускной способности тепловых сетей, в том числе путем снижения температуры воды в обратных

магистралях. Это может быть достигнуто за счет прямого использования воды из обрат-

ных линий в низкотемпературных системах отопления, работающих с нетрадиционными

параметрами. При этом неизбежно потребуются увеличение площади отопительных при-

боров, дополнительные мероприятия по повышению теплозащиты зданий, что не везде

обеспечит экономичность решения.

Вэтих условиях с экономической точки зрения целесообразным может оказаться исполь-

зование тепловых насосов для централизованного (рис. 19.4) и децентрализованного (рис.

19.5) понижения температуры в обратных линиях тепловых сетей. Для этой цели предпоч-

тительными оказываются сорбционные тепловые насосы, в которых используется тепло-

вая энергия системы теплоснабжения.

486

Рис. 19.4. Схема централизованного охлаждения воды системы отопления в обратном теп-

лопроводе центрального теплоснабжения с помощью теплового насоса

Рис. 19.5. Схема лецентрализованного отбора теплоты т обратной магистрали системы

центрального отопления (теплоснабжения) с помощью теплового насоса

При проектировании новых систем центрального теплоснабжения возможно использова-

ние комбинированных схем с тепловыми насосами. Целесообразным в этом случае является не только понижение температуры обратной воды, но и общее понижение темпера-

турного уровня, например, с традиционного 150...70 до 120...20 °С и ниже.

При энергоснабжении от теплоэлектроцентралей применение компрессионных тепловых

насосов с дополнительным подводом электрической энергии часто оказывается экономи-

чески невыгодным.

Целесообразной будет система центрального отопления, в которой разновременно или в

параллельном режиме используются тепловой насос и энергоаккумуляционная система. В

период пиковой нагрузки в электросети тепловой насос отключается. В это время отопле-

ние полностью обеспечивается энергией от аккумулятора. В остальное время работает те-

пловой насос, а при большом расходе теплоты - тепловой насос в сочетании с энергоакку-

муляционной системой.

В качестве источника теплоты для теплоснабжения могут использоваться геотермальные

воды из скважин (§ 20.3). В этом случае целесообразна двухступенчатая схема, когда на первой ступени отбор теплоты происходит непосредственно, и только на второй ступени,

когда температура становится примерно равной температуре в обратной линии системы

отопления, отбор теплоты осуществляется с помощью теплового насоса.

Тепловые насосы могут успешно применяться для отопления одноквартирных отдельно стоящих домов. Обязательными условиями их успешного применения являются низко-

температурная система отопления и значительное (примерно в 2 раза) усиление теплоза-

щиты для снижения теплопотерь здания. В качестве источников низкопотенциальной теп-

лоты могут использоваться все выше перечисленные носители энергии окружающей сре-

ды. В идеальном случае при дополнительной усиленной теплоизоляции, использовании

487

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 централизован-

ные теплозатраты на отопление можно сократить, если использовать для обогревания по-

мещений дополнительные местные теплопоступления. Существенной экономии теплоза-

трат достигают, применяя автоматическое регулирование теплового потока поступающего в систему отопления. Блоки автоматизации действия системы отопления включают в об-

щую автоматизированную систему управления (АСУ) работой инженерного оборудования

здания (см. § 19.1).

Теплопоступления от различных дополнительных источников можно считать избыточны-

ми, 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 помеще- ний, 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 во- ды 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 элек- трического 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 теплоизбыт-

ков поглощают наружные и внутренние ограждения, а также оборудование помещений. Чем больше теплоемкость ограждений помещений, тем больше они поглощают теплоиз- бытков, что уменьшает амплитуду колебания температуры воздуха. При этом, как следст-

вие, 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 вет-

вях 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, позво- ляет корректировать график центрального качественного регулирования (см. рис. 17.3) и частично учитывать теплопоступления от солнечной радиации. Исследования, проведен-

ные в системе водяного отопления 16-этажного жилого здания в Москве, показали, что

теплоподача по скорректированному графику регулирования позволяет экономить 4,3 °/о

488

расхода теплоты за четыре последних месяца отопительного сезона. За весь сезон в усло-

виях Москвы экономия при этом доходит до 6...8 %.

Автоматизированное пофасадное регулирование частей системы отопления сопровожда- ется 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 ото- пления 16-этажного жилого здания. В солнечный день при температуре наружного возду-

ха около -4 °С теплоподача в помещения юго-восточного фасада здания уменьшалась в 2,5

раза по сравнению с теплоподачей при центральном изменении температуры теплоноси-

теля. 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 регулирова- ние теплоподачи в отдельные крупные помещения горизонтальными поэтажными ветвями системы водяного отопления. При таком поэтажном регулировании температура возду-

ха в обслуживаемых помещениях поддерживается на заданном уровне с помощью регуля-

торов прямого действия с точностью ± 1,5 °С.

Аналогично по эффективности автоматическое регулирование теплоподачи индивиду-

альными регуляторами, устанавливаемыми на теплопроводах отопительных приборов

или агрегатов (см. § 4.9). При таком способе регулирования полезно используются (в от-

ношении 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 зда-

ний с переменным режимом работы.

§19.5. Прерывистое отопление зданий

Взданиях и сооружениях с переменным тепловым режимом (см. § 15.3) прибегают к по- нижению температуры помещений в нерабочие периоды суток. Для этого применяют пре-

рывистое 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 ра-

диационной температуры. Охлаждение помещений при отключении отопления рассмот-

рено 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).

489

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 периодич-

ность. В течение суток выделим рабочий период, когда внутренние теплопоступления

(например, от людей, оборудования) в той или иной мере возмещают теплопотери и тре-

буется главным образом вентиляция помещений (в помещениях преобладает режим вен-

тилирования). Нерабочий период разделим на период естественного охлаждения поме-

щений, 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. Ес-

ли режим вентилирования длится 8 или 16 ч (две смены), то продолжительность режима

натопа зависит от температуры наружного воздуха и тепловой мощности системы отопле-

ния. Соответственно увеличивается или уменьшается продолжительность периода охлаж-

дения.

Устанавливается также недельная периодичность теплового режима, связанная с суббот-

не-воскресным (или только воскресным) перерывом в работе. Недельная периодичность

нарушается только в дни праздников.

На рис. 19.6 показано изменение тепловыделений ()вьщ температуры воздуха 1в и радиаци-

онной температуры 1к помещения, в котором работают от 9 до 18 ч пять дней в неделю,

при условно постоянных теплопотерях ()пот. Принято, что теплопоступления несколько

меньше теплопотерь (С^вы.ССЕот)- Поэтому на рисунке изображено, что в течение рабочего

периода (в режиме вентилирования без изменения температуры приточного воздуха) тем-

пература воздуха помещения понижается при возрастании радиационной температуры Щ. Показано также, что отопительная установка мощностью С]С]1, значительно превышающей величину теплопотерь помещения, включается до начала работы (режим натопа). Отопи-

тельная установка включается также в промежутке между последним рабочим днем неде- ли (пятница) и первым рабочим днем новой недели (понедельник), когда температура по- мещения 1ц понижается до установленного минимального уровня (1мин на рисунке).

Продолжительность нагревания помещения отличается в рабочие дни и после воскресе-

нья, так как исходная температура помещения различна.

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 воз- духа 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 УПОм и теплопоглощения Рпом помеще-

ния.

Показатель теплоусвоения помещения УПОМ? Вт/°С, характеризующий изменение темпера-

где А, - площадь 1-того ограждения помещения.

490