Глава 9 1

где — расчетная температура наружного воздуха; — то же текущая; — условная температура воздуха,

Если внутренние теплопоступления в здании незначительны, то относительная отопительная нагрузка рассчитывается по формуле

Действующие температурные графики отпуска теплоты потребителям не учитывают внутренних теплопоступлений (отопительная нагрузка определя­ется в зависимости от наружной температуры по (9.9)) и рассчитываются по (9.1) и (9.2), численное значение коэффициента n= 0,25. Учёт внутренних теплопоступлений (тепловыделений) и переход от качественного регулирования к качественно-количественному позволяют для конкретной системы отопления построить экономичный график подачи теплоносителя в систему. Количественные расчёты таких графиков можно провести по зависимостям (9.4)—(9.8). Оценку энергосбережения при использовании таких графиков при качественном регулировании предло­жено выполнять в виде [6] , (9.10)

где , — теплопотребления при реализации экономичного и действую­щего температурных графиков; — разность температур теплоносителя в подающем и обратном трубопроводах по экономичному графику; — то же по действующему графику; с_р — теплоемкость воды; n_i — среднее число суток в году с температурой наружного воздуха не выше заданной; G — массовый расход воды в системе отопления.

С учётом снижения расхода (при качественно-количественном регулиро­вании) экономия может быть оценена как

(9.11)

Примеры построения экономичных графиков при регулировании нагрузки с учётом таких особенностей внутренних систем отопления, как тип используемых отопительных приборов, способ подачи теплоносителя в отопительные приборы, приведены в [6].

Рассмотрим пример учёта внутренних теплопоступлений при построе­нии графика тепловой нагрузки отопительной системы и расчёта теплопо­требления.

Пример 9.1. Построить график тепловой нагрузки системы отопления здания, расположенного в Москве, в зависимости от наружной температуры без учёта внутренних теплопоступлений и с учётом теплопоступлений, составляющих 10 % максимальной отопительной нагрузки. Построить график теплопотребления здания за отопительный период.

Расчётные температуры воздуха следующие:

. Расчетная отопительная нагрузка здания определена на стадии проектирования (см. (4.22)).

Решение. Графики построим для относительных тепловых нагрузок (в долях от расчетной). Без учета внутренних теплопоступлений относительная отопитель­ная нагрузка в зависимости от наружной температуры изменяется линейно в соответствии с (9.9). С учетом теплопоступлений эта зависимость имеет вид (9.7), где — некоторая условная температура, при которой график пересекает ось наружной температуры. Температура может быть определена по (9.8), где согласно условию примера С учётом (9.3) уравнение (9.7) можно переписать в виде

, (9.12)

Из сравнения зависимостей (9.9) и (9.12) можно сделать вывод, что относи­тельная отопительная нагрузка с учётом внутренних теплопоступлений будет меньше, чем без их учёта. Учёт внутренних теплопоступлений при регулировании отпуска теплоты в индивидуальном тепловом пункте здания можно рассматри­вать как один из методов энергосбережения. Если принять , то зависи­мость (9.12) преобразуется к виду (9.9). При условиях > 0 и отно­сительная нагрузка что следует из (9.12).

Для построения графика теплопотребле-ния системы отопления за отопитель­ный период воспользуемся справочными данными о длительности периода со средней температурой не выше заданной для метеоусловий Москвы [4, 6], приведёнными ниже:

Температура наружного воздуха, °С	-30	-25	-20	-15	-10	-5	0	8
Длительность периода, ч	15	47	172	418	905	1734	3033	4910

Графики, построенные по результатам численных расчётов по (9.9) — (9.12), представлены на рис. 9.3.

Теплопотребление за отопительный период может быть рассчитано без учёта внутренних теплопоступлений в виде

(9.13)

где = — длительность отопительного периода, ч; — длительность периода со средней температурой наружного воздуха не выше , ч; = —средневзвешенная температура наружного воздуха за отопительный период, °С.

Учитывая внутренние теплопоступления, зависимость (9.13) следует записать, принимая во внимание (9.12).

Задавая z₀ = 214•24 = 5136 ч, получаем:

=

= [(20+3,1 )/(20 + 28)]5136 = =2472 .

Рис. 9.3. Относительная отопительная нагрузка Q₀ в зависимости от температуры наружного воздуха (а) и длительности периода п_i со средней температурой не выше заданной (б): ♦ — без учёта теплопоступлений; ■ — с учётом теплопоступлений

Теплопотребление за отопительный период будет измеряться в киловатт-часах или гигакалориях в зависимости от единицы максимальной отопительной нагрузки. С учётом внутренних источников теплоты теплопотребление сис­темы отопления будет составлять

.

Местное пофасадное регулирование отпуска теплоты на отопление в индивидуальных тепловых пунктах применяется при условии разделения системы отопления по фасадам здания. При отсутствии такого разделения используется местное (общедомовое) или индивидуальное регулирование расхода теплоносителя в приборах отопления. В основе пофасадного регу­лирования лежит учёт влияния на теплопотребление здания таких факторов, как скорость ветра и солнечное излучение. Эти факторы индивидуальны для каждого из фасадов и зависят от ориентации фасадов здания относительно сторон света. В зависимости от сочетания указанных факторов могут быть предложены индивидуальные графики подачи теплоносителя в систему отопления помещений, прилегающих к различным фасадам здания.

Сделаем оценки потенциала энергосбережения при пофасадном регули­ровании отпуска теплоты в ИТП с учётом скорости ветра.

Эмпирическая зависимость для часового расхода теплоты на отопление помещений, прилегающих к наветренному фасаду здания, за рассматривае­мый период времени с учётом влияния ветра записывается как [5]

Для фасада, не подвергающегося воздействию ветра (w_i = 0), удельное теплопотребление определяется по следующей формуле [14]:

В формулах (9.14) и (9.15) — максимальное расчётное потребление тепловой энергии системой отопления при расчётных температуре наруж­ного воздуха и скорости ветра w_p, кВт (Гкал/ч); — бытовые тепловы­деления, кВт (Гкал/ч); — расчетная температура воздуха внутри здания,

°С; — текущая средняя за рассматриваемый период температура наружного воздуха, °С; — текущая средняя за рассматриваемый период скорость ветра на уровне среднего этажа, м/с; а — безразмерный коэффици­ент, учитывающий влияние ветра на теплопотребление здания.

Если расчёт теплопотребления выполняется при скорости ветра w_p = 0, то в формулах (9.14) и (9.15) а=1 и суммарное (по двум фасадам) теплопотреб­ление здания без учёта влияния ветра на тепловые потери будет составлять [5]

Опыт эксплуатации зданий показывает, что значения коэффициента а при расчётных скоростях ветра 2; 5 и 10 м/с равны соответственно, 0,94; 0,78 и 0,51. Практически это означает, что, например, расчётные теплопотребления при нулевой скорости ветра и при его расчётной скорости, составляющей 10 м/с, будут различаться почти в 2 раза.

Суммарное теплопотребление при пофасадном отпуске теплоты склады­вается из двух составляющих (см. (9.14) и (9.15)) [5]:

(9-17)

Пример 9.2. Оценить экономию тепловой энергии за отопительный период для многосекционного здания, расположенного в Москве, при переходе на пофасадное регулирование его отопительной нагрузки с учётом влияния ветра. В климатической зоне Москвы средняя за отопительный период температура , а средняя скорость ветра не превышает 5 м/с, продолжительность отопительного периода z₀ = 214 сут = 5136 ч [2]. За расчетную скорость ветра при­мем w_p = 5 м/с. Условная расчетная часовая отопительная нагрузка здания =1 Гкал/ч. Расчетная температура воздуха внутри здания .

Решение. Рассмотрим два случая:

влияние ветра при отпуске теплоты учитывается, но пофасадное регулирова­ние отсутствует, т.е. отпуск теплоты для обоих фасадов здания осуществляется, как для наветренного фасада;

отпуск теплоты проводится по температурному графику, не учитывающему влияние ветра на теплопотери здания, пофасадное регулирование отсутствует.

В первом случае перерасход тепловой энергии, кВт или Гкал/ч, из-за отсут­ствия пофасадного регулирования в абсолютном исчислении будет определяться по формуле [14]:

а перерасход тепловой энергии относительно расчётного теплопотребления (в долях) будет составлять

где — относительные бытовые тепловыделения.

Во втором случае перерасход тепловой энергии, кВт или Гкал/ч, по сравнению с пофасадным регулированием отпуска теплоты будет вычисляться в виде

а перерасход тепловой энергии относительно расчётного теплопотребления (в долях) будет составлять

Например, для отопительного периода в условиях Москвы при = 0,15 [2] с учётом параметров, взятых из СНиП «Строительная климатология», получим:

Потенциал энергосбережения за отопительный период в случае использования пофасадного регулирова-ния отпуска теплоты в ИТП (при расчётном теплопотреблении 1 Гкал/ч) составит

=1•0,035•214•24=179,8 Гкал/год и

=1•0,087•214•24=446,8 Гкал/год.

Для указанных условий в среднем без учёта бытовых тепловыделений экономия тепловой энергии может составить 200—337 Гкал/год (при расчетном теплопотреблении 1 Гкал/ч) или 4,0—6,7%. С учётом бытовых тепловыделений эта экономия может быть увеличена примерно до 5 — 8 %.

Приводимые значения являются средними за отопительный период. С учётом только скорости ветра, изменяющейся в диапазоне 0—5 м/с, и бытовых тепло­выделений, составляющих 20% расчётного теплопотребления, экономия может составить 6—12 %, а с учётом солнечного излучения — 9—16 %.

Техническая реализация пофасадного отопления осуществляется в резуль­тате модернизации индивидуального теплового пункта, суть которой заключа­ется в автоматизации регулирования отпуска теплоты по фасадам здания. Схема индивидуального теплового пункта приведена на рис. 9.4.

Сетевая вода из подающего трубопровода тепловой сети поступает в сис­тему отопления здания, в котором для помещений, прилегающих к каждому из фасадов, организован собственный контур системы отопления. На подающем трубопроводе каждого из контуров системы отопления установлен регулирующий клапан типа КР, который поддерживает заданную темпера­туру внутреннего воздуха в помещении путем изменения расхода греющего теплоносителя при постоянной температуре его на входе в регулируемую установку в зависимости от наружных метеоусловий (количественный метод). В систему

В систему горячего

вентяляции водоснабжения

Из водопровода

Рис. 9.4. Принципиальная схема ИТП с автоматическим пофасадным регулирова-нием отопи­тельной нагрузки [18]:

1 — первая ступень водонагревателя; 2 — вторая ступень водонагревателя; 3 — насосы с час­тотным регулированием; 4 — циркуляционный насос системы горячего водоснабжения; 5 — клапан запорно-регулирующий ГВС; 6 — клапаны регулирующие седельные типа КР; 7 — расходомер узла учета теплоты; 8 — регулирующие органы (контроллеры); 9 — узел учета теплоты; 10 — фильтр; 11 — запорный орган; 12 — обратные клапаны; 13 — датчики темпе­ратуры

Сигнал на изменение степени открытия/закрытия регулирующего клапана типа КР подаётся от контроллера, установленного на одном из фаса­дов здания и запрограммированного с учётом различной теплопотребности помещений, прилегающих к противоположным фасадам здания. Сигнал на регулирующий орган (контроллер) поступает от датчиков температуры наружного воздуха, температуры теплоносителя в подающей и обратной линиях и температуры воздуха в контрольном помещении, предусмотрен­ных для каждого из фасадов.

На перемычках, соединяющих обратный и подающий трубопроводы каж­дого из фасадов, установлены насосы с частотным регулированием, которые способствуют частичному смешиванию обратной воды и воды из подаю­щего трубопровода, тем самым изменяя температуру и расход греющего теплоносителя во внутренних контурах отопления помещений фасадов (качест­венно-количественное регулирование). Остальная часть воды из обратного трубопровода, не смешиваясь с водой из подающего трубопровода, идёт на первую ступень водонагревателя. Обратные клапаны обеспечивают течение потока воды строго в одном направлении.

Пофасадное регулирование особенно эффективно при реконструкции существующих протяжённых многосек-ционных зданий, особенно муни­ципальных, выполняемой без замены системы отопления, а также во вновь построенных зданиях повышенной этажности (9—12 этажей и более) с выпол­ненным по проекту разделением системы отопления по фасадам. По экви­валентному эффекту пофасадное регулирование ненамного уступает авторе­гулированию с термостатами, но значительно дешевле по капитальным затратам и не требует проведения сварочных работ в квартирах, необходи­мых при установке термостатов.

Индивидуальное количественное регулирование может быть реализо­вано при применении терморегуляторов.

Терморегуляторы представляют собой регулирующие клапаны, автома­тически изменяющие расход воды через отопительный прибор в зависи­мости от температуры воздуха внутри отапливаемого помещения. Конструк­тивно регулирующий клапан и термоэлемент, измеряющий температуру и управляющий работой клапана, могут быть выполнены раздельно или сов­мещены в одном устройстве.

Терморегуляторы устанавливаются на каждый отопительный прибор и автоматически поддерживают заданную температуру в помещении в резуль­тате изменения расхода воды через прибор.

В зависимости от типа системы отопления применяют регулирующие клапаны для однотрубных или двухтрубных систем. В двухтрубных систе­мах применяются клапаны повышенного гидравлического сопротивления. Клапаны, предназначенные для использования в однотрубных системах отопления, представляют собой проходные клапаны пониженного гидравли­ческого сопротивления. В однотрубных системах целесообразно использо­вать трехходовые терморегуляторы, обеспечивающие удобное подключение к прибору и монтаж замыкающего участка. Некоторые характерные схемы подключения терморегуляторов показаны на рис. 9.5.

а) б) в)

Рис. 9.5. Схемы подключения терморегуляторов в системах отопления различного типа:

а — установка трехходового терморегулятора в однотрубной системе отопления с верхней подачей теплоносителя; б — установка терморегуляторов на отопительных приборах в одно­трубной системе; в — то же в двухтрубной системе

Выбор термоэлемента зависит от условий размещения отопительного прибора и терморегулятора. Все термоэлементы являются универсальными и могут применяться с любыми регулирующими клапанами той же фирмы.

Автоматическое регулирование температуры воздуха в помещении воз­можно с помощью как простых радиаторных терморегуляторов с жидкост­ными датчиками, не требующих вспомогательного питания, так и электрон­ных регуляторов с электрическими приводами.

Экономия тепловой энергии при применении индивидуального регулиро­вания достигается уменьшением расхода теплоносителя в случаях:

• поступления теплоты в помещение от бытовых тепловыделений ( поступления теплоты в помещение от солнечного излучения (Q_c);

• снижения установленной на терморегуляторе температуры в жилых помещениях в ночное время;

• снижения установленной на терморегуляторе температуры в администра­тивно-бытовых и общественных зданиях в нерабочее время.

Пример 9.3.Оценить влияние поступления теплоты в помещение за счет бытовых тепловыделений на температуру внутреннего воздуха [2]. Для примера предположим, что горячая вода на нужды отопления подаётся в соответствии с температурным графиком 105/70 °С/°С с учётом температуры наружного воздуха.

Расчётная температура наружного воздуха =-28°С, расчётная температура воздуха внутри помещения = 18 °С.

Решение. При соблюдении графика подачи теплоносителя и отсутствии быто­вых тепловыделений температура внутри помещения не должна меняться с изме­нением наружных условий. При качественном регулировании отпуска теплоты (по принятому температурному графику), при котором расход теплоносителя не регулируется, за счёт бытовых тепловыделений будет повышаться температура в помещении. Компенсировать это повышение температуры можно уменьшением расхода воды через отопительные приборы с помощью терморегуляторов. Следо­вательно, чтобы оценить эффект от применения индивидуальных терморегулято­ров, надо рассчитать повышение температуры за счёт бытовых тепловыделений и уменьшение расхода при снижении внутренней температуры до расчётного зна­чения в результате действия терморегуляторов. Для этого воспользуемся уравне­нием теплового баланса помещения, которое запишем с учётом бытовых тепло­выделений:

(9.22 )

или

(9.23)

где —расчётная нагрузка по отоплению помещения при расчётной темпера­туре наружного воздуха,кВт (Гкал/ч); — трансмиссионные теплопотери через ограждающие конструкции, определяемые по (4.23), кВт (Гкал/ч); —расход теплоты на нагрев инфильтрующегося наружного воздуха, кВт (Гкал/ч);

—бытовые теплопоступления, кВт (Гкал/ч); — суммарные теплопотери помещения, кВт (Гкал/ч).

Доля каждой из составляющих теплового баланса может быть представлена в виде:

=1, (9.24)

=1, (9.25)

, (9.26)

где ⁼ — относительные бытовые теплопоступления.

Суммарные теплопотери помещения

, (9.27)

где — приведенный коэффициент теплопередачи совокупности ограждающих конструкций, кВт/(м²•К); — приведенный инфильтрационный коэффициент теплопередачи ограждающих конструкций, кВт/(м•К); — суммарный приведенный коэффициент теплопередачи, кВт(м²•К); F_cyм — общая площадь наружных ограждающих конструкции, м² .

Расчетная нагрузка по отоплению может быть определена по формуле

, (9.28)

Где —расход теплоносителя при расчетных температурах, кг/с; с_р — теплоём­кость воды, кДж/(кг•К); — температура воды в подающем трубопроводе при расчётной температуре наружного воздуха, °С; — температура воды в обратном трубопроводе при расчётной температуре наружного воздуха, °С. С учётом (9.23) и (9.28) уравнение (9.27) можно записать в виде

. (9.29)

Для текущих температур наружного t_H и внутреннего t_B воздуха, отличных от расчетных, уравнение баланса будет иметь вид

, (9.30)

где t_п(t_н) и t₀(t_н) — температуры воды в подающем и обратном трубопроводах при текущей температуре наружного воздуха t_н (принимаются согласно графику подачи теплоносителя).

Из уравнений (9.29) и (9.30) можно получить зависимость внутренней темпе­ратуры от наружной с учётом того, что при централизованном качественном регулиро-вании подачи теплоносителя расход воды остаётся неизменным, т.е. . Эта зависимость будет иметь вид

. (9.31)

Изменение температуры в помещении при различных относительных бытовых теплопоступлениях приведено на рис. 9.6. При определении температуры использовался температурный график, рассчитанный по (9.1) и (9.2). Результаты расчета при нулевом теплопоступлений показывают, что при соблюдении графика подачи теплоносителя с учетом погодных условий температура внутри помещения будет поддерживаться на уровне 18 °С.

Оценим уменьшение расхода (относительно расчетного) при поддержании в помещении заданной температуры с помощью терморегулятора, установленного по схеме в на рис. 9.5. Будем считать, что заданная температура равна расчетной . Запишем уравнение теплового баланса помещения, в котором расход тепло­носителя G₁, меньше расчётного, а температура внутреннего воздуха t_B = :

Из уравнений (9.29) и получаем (учитывая, что )

где — разность расходов воды в радиаторах отопления в случаях только каче­ственного регулирования подачи теплоносителя и качественно-количественного регулирования с применением индивидуальных радиаторных терморегуляторов.

Рис. 9.6. Изменение температуры в помещении в зависимости от температуры наружного воздуха при различных значениях :

♦ — = 0,1; ■ — = 0,15; Δ — = 0,2

Поскольку тепловая нагрузка пропорциональна разности температур теплоно­сителя t_П(t_Н)—t₀(t_H), которая принимается постоянной при текущей наружной тем­пературе, то её относительное уменьшение при работе терморегуляторов можно записать как

(9.34)

где — тепловая нагрузка по отоплению помещения при текущей температуре

наружного воздуха t_H и расходе теплоносителя .

Например, при средней за отопительный период температуре наружного воз­духа, составляющей -3,1 °С (для климатических условий Москвы), экономия теп­ловой энергии при уровне бытовых теплопоступлений 0,1 —0,2 (в долях от макси­мальной отопительной нагрузки) может составить 9—16 % текущей нагрузки по отоплению. По представленной методике можно получить максимальную эконо­мию при заданной температуре наружного воздуха. При расчётах экономии теп­лоты за определённый период следует учитывать неравномерность бытовых теп­ловыделений в течение суток.

Оценки относительной экономии теплоты при снижении температуры в поме­щении в ночное время и в выходные дни, а также при снижении температуры, задаваемой индивидуальными терморегуляторами, могут быть сделаны по фор­мулам, подобным формуле (9.34). В этом случаях в знаменателе (9.34) разность текущих температур внутреннего и наружного воздуха следует заменить на раз­ность расчётных температур, а в числителе возможное снижение температуры за счёт тепловыделений — на допустимое снижение температуры внутреннего воз­духа в ночное время или в выходные дни. Допустимое ночное снижение темпера­туры в жилых и в нерабочее время в административных и общественных зданиях регламентируется требованиями СНиП. С учётом сделанных замечаний относи­тельная экономия тепловой энергии от снижения внутренней температуры, регу­лируемой индивидуальными терморегуляторами, составит [5]:

где — допустимое снижение температуры внутреннего воздуха в ночное

время или в выходные дни, °С; — температура воздуха после снижения, °С; — средняя за отопительный период температура наружного воздуха, °С; — число часов со сниженной температурой в ночное время, ч; — число часов в сутках, ч; — число часов в выходные дни, ч; — число часов в неделе, ч.

По формулам (9.35) и (9.36) можно определить уменьшение потребления теп­ловой энергии относительно средней за отопительный период тепловой нагрузки

по отоплению. Для административного здания = 8 %, a = 3 %. Эти расчёты [2] были выполнены для средней наружной температуры =-3,2 °С. С учётом влияния солнечного излучения, которое оценивается в 1,5 %, максимальная суммарная экономия от применения индивидуальных терморегуля­торов в административном здании может составить 12,5 % средней отопительной нагрузки.

Среди энергосберегающих мероприятий, реализуемых в целях снижения энергопотребления системами вентиляции и кондиционирования воздуха, можно выделить [2, 7—11]:

совместное применение систем общеобменной и местной вентиляции; использование теплоты вентиляционных выбросов; использование природных теплоты и холода при применении теплонасосных установок;

правильный подбор вентилятора в соответствии с аэродинамической характеристикой сети;

использование частотно-регулируемого электропривода вентиляторов в целях регулирования расхода воздуха;

выполнение тепловой изоляции воздуховодов в местах прокладки с пони­женной температурой воздуха.

Примеры совместного использования систем общеобменной и местной вентиляции с оценками энергосберегающего эффекта приведены в [2, 8—10].

Использование систем местной вентиляции рассмотрим на примере воздушных тепловых завес [2, 8—10]. Создание воздушных завес — один из известных методов экономии энергетических ресурсов. История создания экспериментальных и теоретических основ применения воздушных завес имеет более чем полувековую давность. Воздушные завесы и метод их рас­чёта впервые были предложены проф. В.В. Батуриным. Известны экспе­риментальные зависимости для расчёта односторонних и двухсторонних завес, которые со временем уточнялись. Эти зависимости представляют собой графики относительного расхода воздуха, прорывающегося через

завесу ( ), как функции относительного расхода воздуха, пода­ваемого завесой q = G₃/G_вр. Примеры таких графиков приведены на рис. 9.7.

Если температуры внутреннего и наружного воздуха известны, то могут быть определены их плотности, а следовательно, разница давлений и расход воздуха через дверной проем. С учетом действия ветра объемный расход

воздуха, м³/с, врывающегося через дверь или ворота, может быть определён по формуле [13]

(9.37)

где В — ширина проёма двери или ворот, м;

Н — высота проёма двери или ворот, м;

— коэффициент расхода (для незащищенных дверей = 0,8÷1,0); g = 9,81 м/с² — ускорение свободного падения; — разница плотно­стей воздушных масс, кг/м³; — средняя плотность воздушных масс, кг/м³; — скорость ветра под углом к двери, м/с; 0,25 — частотный фактор направления ветра (вероятность направления ветра по нормали к плоскости ворот). Общий расход воздуха через открытую дверь представляет собой сумму расходов, создающихся вследствие разницы давлений и воздействия ветра.

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 q

1 — односторонняя завеса; 2 — двухсторонняя завеса

Рис. 9.7. Зависимости коэффициента расхода воздуха через ворота, защищённые завесой, от относительного расхода воздуха [12]:

Для примера оценим потери тепловой энергии за отопительный период через незащищенные завесой ворота в зависимости от их высоты и ширины. Здание расположено в Москве. Коэффициент расхода примем равным 0,8. Скорость ветра согласно климатологическим данным составляет 4 м/с. Рас­четная температура внутреннего воздуха равна 20 °С, средняя за отопитель­ный период температура наружного воздуха составляет -3,1 °С. Продолжи­тельность отопительного периода равна 214 сут. Ворота открыты в течение 1 ч в сутки. Результаты расчётов представим в виде графиков, изображённых на рис. 9.8. Графики соответствуют потерям тепловой энергии за год в зависи­мости от поперечного размера ворот, не защищенных тепловой завесой, при различной их высоте.

Полностью прекратить доступ холодного воздуха невозможно, но, при­менив воздушную завесу, можно уменьшить расход врывающегося холод­ного воздуха и тем самым снизить расход теплоты на его нагрев.

Тепловая мощность, кВт, необходимая для нагрева воздуха, врывающе­гося в ворота, без действующей завесы находится по формуле

Q_п = G_вpc_p(t_в-t_н), (9.38)

Ширина ворот, м

Рис. 9.8. Зависимости тепловых потерь за отопительный период от размеров ворот, не защи­щённых тепловой завесой:

1 — высота ворот Н = 2 м; 2 — Н = 3 м; 5 — Н = 4 м; 4 — Н=5м;5 — Н = 6 м

где G_вp— массовый расход врывающегося воздуха, кг/с;

с_р — теплоёмкость воздуха, кДж/(кг•К);

t_B — температура внутреннего воздуха, °С; t_H — тем­пература наружного воздуха, °С.

Расход теплоты, кВт•ч, за период времени n, ч, без действующей завесы рассчитывается по соотношению

Q_п = G_вpc_p(t_в-t_н)nk, (9.39)

где k — коэффициент, учитывающий фактическое время, когда ворота открыты в течение часа; k = τ/60; τ — здесь время, в течение которого ворота открыты, мин.

Тепловая мощность, кВт, необходимая для нагрева воздуха, врывающе­гося в ворота, при работающей завесе находится по формуле

(9.40)

где t_cp — средняя температура воздуха,

здесь G₃ — расход воздуха, создаваемый завесой; — температура воздуха, подаваемого завесой (если воздух забирается вентилятором из рабочей зоны, то t₃ = t_в).

Расход теплоты, кВт•ч, за период времени n, ч, при действующей завесе вычисляется в виде

Расход теплоты на нагрев воздуха, врывающегося в помещение, учитыва­ется в тепловом балансе при расчёте отопительной нагрузки.

Относительная экономия тепловой энергии (относительное снижение потерь теплоты через проёмы) при работающей тепловой завесе может быть вычислена с учётом зависимостей (9.38), (9.40) и (9.41) по следующей фор­муле [10]:

где — тепловые потери через проем без действующей тепловой завесы, определяемые по зависимости (9.38).

Для примера на рис. 9.9 показаны результаты расчётов относительного уменьшения потерь теплоты при работающей односторонней воздушной тепловой завесе. Расчёты выполнены для следующих условий: расчётная температура внутреннего воздуха составляет 18°С, расчётная температура наружного воздуха равна -28 °С, температура воздуха после калорифера тепловой завесы задаётся равной 18 °С.

Если тепловой баланс здания представить в виде

где — максимальная (при расчетных условиях) отопительная нагрузка; — тепловые потери, связанные с проникновением холодного воздуха без действующей тепловой завесы, то относительное уменьшение макси­мальной отопительной нагрузки при действующей тепловой завесе с учётом (9.43) можно представить в виде

Уравнение (9.45) получено при условии неизменности остальных состав­ляющих теплового баланса (см. ((9.44)). В (9.45) входят два независимых параметра: доля потерь через незащищенный проем от максимальной отопи­тельной нагрузки и температура воздуха, подаваемого в помещение воздуш­ной тепловой завесой.

Коэффициент расхода врывающегося воздуха при работающей завесе

Рис. 9.9. Относительное уменьшение потерь теплоты при работающей воздушной завесе в зависимости от коэффициента расхода врывающегося в здание воздуха при температуре воздуха, подаваемого завесой, = 18 °С

Примеры использования вторичных энергоресурсов (теплоты и холода удаляемого воздуха)

Наиболее простым, не требующим значительных капиталовложений мето­дом снижения затрат теплоты, поступающей от внешних источников, на подогрев воздуха в системах приточной вентиляции и кондиционирован™ воздуха является рециркуляция. При этом часть удаляемого воздуха подме­шивается к воздуху, подаваемому в помещение. Возможная принципиальна» схема и процессы обработки воздуха в установке кондиционирования в лет­ний период времени в h, d-диаграмме представлены на рис. 9.10—9.12.

Несмотря на простоту и экономичность этого метода, возможности его реализации на практике ограничены. Рециркуляция недопустима при нали­чии в удаляемом воздухе взрыво- и пожароопасных примесей, отравляющих веществ, болезнетворных микроорганизмов и т.п. Кроме того, расход све­жего наружного воздуха, подаваемого в помещение, должен быть не ниже минимального расхода, регламентируемого нормативными документами [14—16]. Только при отсутствии людей в помещении допускается подача 100 % удаляемого воздуха на рециркуляцию.

Рассмотрим схему рециркуляции воздуха для тёплого периода года. Рециркуляционный воздух может подмешиваться к наружному либо перед оросительной камерой, либо перед калорифером второй ступени (рис. 9.10).

Определим параметры смеси рециркуляционного воздуха с наружным (рис. 9.11). Соединим точки Н и В отрезком прямой, вдоль которого изменя­ются параметры смеси. Массовый расход рециркуляционного воздуха будет составлять:

G_p = G_П-G_Н (9.46)

Определим энтальпию и влагосодержание смеси из уравнений теплового и материального балансов:

(9.47)

Рис. 9.10. Схема установки кондиционирования воздуха в холодный и теплый периоды года:

1 — калорифер первой ступени подогрева воздуха; 2 — оросительная камера; 3 — калорифер второй ступени подогрева воздуха; 4, 5 — приточный и вытяжной вентиляторы; 6 —обслуживаемое помещение; 7 — трёхходовой клапан; 8 — циркуляционный насос; С'₁и С'₂ — точки, соответствующие параметрам воздуха после смешения при применении рециркуляции в холодный период года; C₁ и С₂ — то же в тёплый период года

Рис. 9.11. Процессы обработки воздуха в установке его кондиционирования с рециркуляцией смешение наружного воздуха с вытяжным) в h, d-диаграмме для теплого периода года:

В—С₁—Н—C₁ — процесс смешения наружного и вытяжного (удаляемого) воздуха: С₁ —О — процесс политропного осушения воздуха в форсуночной камере орошения; О—П' — процесс подогрева воздуха в калорифере второй ступени; П—П' — процесс подогрева воздуха в вен­тиляторе (на 1—1,5 °С); П—В — процесс подогрева и увлажнения воздуха в помещении; φ — относительная влажность воздуха

Параметры воздуха после смешения однозначно определяют его энталь­пию. Удельное (на 1 кг сухого воздуха) снижение затрат холода на охлаждение приточного воздуха, кДж/кг, по сравнению с прямоточной схе­мой (без рециркуляции)

(9.49)

При массовом расходе приточного воздуха G_П ≠ 1 кг/с, экономия холода, кВт, при охлаждении воздуха, будет определяться по формуле

(9.50)

Рассмотрим случай, когда воздух, удаляемый из помещения, подмешива­ется к наружному воздуху, предварительно обработанному в камере ороше­ния (рис. 9.12). Для этого случая также справедливо уравнение материаль­ного баланса (9.46). Из уравнения теплового баланса, записанного для процесса смешения В—С₂—О—С₂,

(9.51)

и уравнения материального баланса

G н=G_П-Gp (9.52)

Рис. 9.12. Процессы обработки воздуха в установке его кондиционирования с рециркуляцией (смешение предварительно охлажденного и осушенного наружного воздуха с вытяжным) в h, d-диаграмме для теплого периода года:

Н—О — процесс политропного осушения и охлаждения воздуха в форсуночной камере оро­шения; В—С₂—О—С₂ — процесс смешения охлажденного в камере орошения наружного воздуха с вытяжным (удаляемым) воздухом; С₂—П' — процесс подогрева воздуха в кало­рифере второй ступени; П—П' — процесс подогрева воздуха в вентиляторе (на 1—1,5 °С); П—В — процесс подогрева и увлажнения воздуха в помещении

получим формулы для определения параметров смеси:

Расход теплоты, кВт, в калорифере второй ступени

Снижение расхода теплоты, кВт, по сравнению с прямоточной схемой будет определяться как

(9.56)

Примеры расчета энергосберегающего эффекта от применения рецирку­ляции при обработке воздуха в системах его кондиционирования в зимний период времени приведены в [1 —2, 9].

При невозможности применения рециркуляции теплота и холод удаляе­мого воздуха могут передаваться приточному воздуху в теплообменниках- утилизаторах. При этом в целях полезного использования может извле­каться как явная, так и скрытая теплота. В последнем случае применяются конденсационные теплообменники-утилизаторы различного типа.

Пример принципиальной схемы установки кондиционирования воздуха, в которой используется рекуперативный теплообменник-утилизатор теплоты зентиляционных выбросов, представлен на рис. 9.13.

Рис. 9.13. Схема установки кондиционирования воздуха с утилизацией теплоты вентиля­ционных выбросов в рекуперативном конденсационном теплообменнике:

1—приточный клапан; 2—воздушный фильтр; 3—рекуперативный теплообменник-утилизатор; 4— калориферы первой и второй ступеней подогрева воздуха; 5 — форсуночная камера орошения; 6 — приточный вентилятор; 7 — циркуляционный насос; 8—трехходовой клапан; 9 — обводная линия; 10 — вытяжной вентилятор

Наибольшая эффективность применения теплообменников-утилизаторов имеет место при утилизации теплоты вытяжного воздуха, имеющего боль­шое влагосодержание. В этом случае требуется источник холодоснабжения, в качестве которого может использоваться холодильная машина. Наиболее целе­сообразно использовать холодильные машины с воздушными конденсато­ром и испарителем, которые размещаются в приточном воздуховоде. Тогда в качестве воздушных испарителей и конденсаторов можно использовать стан­дартные воздухонагреватели, которые через систему трубопроводов подклю­чаются непосредственно к компрессору холодильной машины [17].

Схема системы кондиционирования воздуха бассейнов с использова­нием выпускаемых промышленностью холодильных машин с водяными конденсатором и испарителем показана на рис. 9.14. Здесь воздухоохлади­тель б встраивается в циркуляционный контур испарителя, рассольный или водяной, в зависимости от расчётной температуры испарения (циркуляцион­ный контур включает в себя при этом бак холодной воды — рассола и цир­куляционный насос).

Аналогично воздухонагреватель 5 встраивается в циркуляционный кон­тур охлаждения конденсатора холодильной машины, также оборудованным циркуляционным насосом и баком тёплой воды. По мере повышения темпе­ратуры и влагосодержания наружного воздуха увеличивается требуемая сте­пень его осушки, а следовательно, и нагрузка по его охлаждению.

Рис. 9.14. Схема системы кондиционирования воздуха бассейна с использованием теплового насоса с водяным охлаждением:

1 — помещение бассейна; 2 — калорифер подогрева воздуха; 3 — система теплоснабжения; 4 — приточный вентилятор; 5 — воздухонагреватель; 6 — воздухоохладитель; 7 — холодиль­ная машина; 8 — теплоноситель в систему горячего водоснабжения; 9, 10 — баки теплой и холодной воды; 11,12 — циркуляционные насосы; 13 — отвод конденсата;

буквами на схеме обозначены точки, необходимые для представления процессов обработки воздуха в h-, d-диа­грамме (см. рис. 9.15)

В результате увеличивается количество теплоты, которое нужно отводить от конденсатора. В холодный период эта теплота используется для нагрева осушенного воздуха. С ростом температуры наружного воздуха потребность в тепловой энергии на эти цели, естественно, уменьшается и появляющийся избыток теплоты может быть использован в системе горячего водоснабже­ния бассейна для нагрева подпиточной и рециркуляционной воды [17].

Осушка воздуха, удаляемого из помещения бассейна, позволяет исполь­зовать его частичную рециркуляцию, что снижает затраты тепловой мощ­ности по нагреву приточного воздуха. Для осушки воздуха необходимо его охлаждение, что требует включения в схему холодильной машины. В приведенной схеме холодильная машина работает в режиме теплового насоса. Теплота, отводимая от воздуха в испарителе — конденсационном теплообменнике 6, используется для подогрева осушенного и охлажденного воздуха в поверхностном воздухоподогревателе — конденсаторе холодиль­ной машины 7. Избыток теплоты используется для нагрева воды в системе горячего водоснабжения.

Процессы обработки воздуха представлены в h, d-диаграмме на рис. 9.15. Воздух, имеющий параметры t_B, d_B, с помощью вытяжной вентиляции забирается из бассейна и смешивается с наружным воздухом с параметрами t_H, d_H. Смесь вытяжного и наружного воздуха имеет параметры t_С, d_С. Сме­шанный воздух подаётся в воздухоохладитель — конденсационный тепло­обменник, где охлаждается и осушается до достижения параметров t_И, d_И.

Рис. 9.15. Процессы обработки воздуха бассейна в системе кондиционирования воздуха:

работа системы с применением теплового насоса и рециркуляции: П—В — процесс ассими­ляции воздухом

избытков влаги в помещении; В—С—Н—С — процесс смешения удаляемого : наружного воздуха; С—И'—И — процесс охлаждения воздуха с осушкой в конденсацион­ном теплообменнике, связанном циркуляционным контуром с испарителем холодильной машины; И—К— процесс подогрева воздуха в теплообменнике, связанном циркуляционным контуром с конденсатором холодильной машины; К—П — подогрев воздуха в калорифере системы кондиционирования; работа системы по обычной схеме (без применения рецирку­ляции и теплового насоса): Н—Н' — процесс подогрева наружного воздуха в калорифере ~ервой ступени; Н—И— процесс адиабатного увлажнения воздуха в оросительной камере; И—П — подогрев воздуха в калорифере второй ступени

Подогрев воздуха проводится в поверхностном воздухоподогревателе, использующем теплоту конденсации рабочего тела цикла холодильной машины, и в калорифере 2 (см. рис. 9.14), получающем теплоту от сторон­него источника.

Оценим экономию теплоты, передаваемой воздуху из тепловой сети, для двух случаев: прямоточной установки кондиционирования воздуха без рециркуляции и установки кондиционирования воздуха с его осушкой и рециркуляцией (с применением теплового насоса). Параметры приточного воздуха примем одинаковыми в обоих случаях. В схеме без использования теплового насоса для соблюдения параметров приточного воздуха дополни­тельно необходимы: калорифер первый ступени подогрева (процесс Н—Н' на рис. 9.15) и форсуночная оросительная камера (процесс адиабатного увлажнения приточного воздуха Н—И'). Подводимая к воздуху теплота в прямоточной системе кондиционирования

Q₁ = G_п (h_П-h_H), (9.57)

Подводимая к воздуху теплота в системе кондиционирования с примене­нием теплового насоса и частичной рециркуляций вытяжного воздуха будет определяться как

Q₂ = G_п(h_П-h_K). (9.58)

Экономия теплоты, кВт, при использовании теплового насоса

ΔQ = Q_l-Q₂ = G_n(h_K-h_H). (9.59)

Соблюдение установленного графика работы и регулирование мощ­ности, потребляемой приточными вентиляционными системами, сами по себе дают реальную экономию энергоресурсов. При этом производитель­ность систем должна регулироваться в соответствии с текущими потребно­стями в приточном воздухе. Соблюдение установленного графика работы позволяет экономить тепловую энергию, а регулирование мощности — электроэнергию, которая расходуется на привод вентилятора. Потребляемая электрическая мощность рассчитывается по формуле

Р = Lp_вk/η, (9.60)

где L — расход воздуха, создаваемый вентилятором, м³/с; р_в — полное дав­ление, создаваемый вентилятором, Па; k — коэффициент увеличения мощ­ности с учётом передачи вращения от вала электродвигателя к валу рабочего колеса вентилятора (для ремённой передачи принимается k = 1,08-1,15) ; η— КПД вентилятора (берётся из каталогов).

Возможны следующие пути регулирования подачи воздуха системой вен­тиляции:

дросселирование с помощью шиберной заслонки;

применение частотно-регулируемого привода электродвигателя вентиля­тора;

использование трансформаторов напряжения питания электродвигателя.

В первом случае регулирование производится изменением коэффициента аэродинамической характеристики вентиляционной сети k_с, во втором и тре­тьем — изменением частоты вращения рабочего колеса вентилятора. При этом падение давления в сети, Па,

где ξ_i — коэффициент трения; ρ — плотность воздуха, кг/м ; l_i — длина i-го участка сети, м; d_i — гидравлический диаметр i-го участка сети, м; F_i — площадь сечения i-го участка сети, м; ξ_j — коэффициент j-го местного сопро­тивления; N_l и N₂ — число прямолинейных участков сети и местных сопротивлений соответственно; L—объемный расход воздуха, м³/с; k_с—коэффициент аэродинамической характеристики сети, (кг•м)/м³.

Аэродинамические характеристики вентиляторов представляют собой зависимости полного давления, создаваемого вентилятором, от объёмного расхода воздуха (даются в каталогах заводов-изготовителей), а характери­стики сети — зависимости потерь давления от объёмного расхода воздуха (см. (9.61)). Давление, создаваемое вентилятором, представляет собой сумму потерь давления (9.61) и динамического давления на выходе из воздухо­вода наиболее удалённого участка магистрали. На рис. 9.16 показаны две характеристики вентилятора при различных значениях частоты вращения рабочего колеса (n_I>n_II) и две аэродинамические характеристики сети при регулировании расхода с помощью шиберной заслонки.

В случаях регулиро­вания частоты вращения вентилятора рабочие точки соответствуют точкам пересечения характеристик вентилятора I и II и характеристики сети III с коэффициентом k_с1 (рабочие точки 1 и 2). Если регулирование расхода осу­ществляется заслонкой, то рабочие точки при расходах L₁ и L₂ будут соот­ветствовать точкам 1 и 2'.

Рис. 9.16. Аэродинамические характеристики вентилятора (кривые I и II) и вентиляционной сети с коэффициентами k_c1 и k_с2 (кривые III и IV)

Из графиков, представленных на рис. 9.16, видно преимущество регулирования расхода за счёт изменения частоты вращения вентилятора. Потребляемая электрическая мощность пропорциональна произведению расхода на полное давление, создаваемое вентилятором. При регулировании частоты вращения вентилятора уменьшение расхода приводит к более существенному снижению потребляемой мощности. Количественные оценки дополнительной экономии потребляемой электрической мощности при частотном регулировании расхода воздуха, создаваемого вентилятором, могут быть выполнены по зависимости

где Р₂ — электрическая мощность, потребляемая в рабочей точке 2.

Восстановление пропускной способности внутридомовых инженер­ных сетей отопления и горячего водоснабжения зданий представляет собой одно из малозатратных мероприятий по энергосбережению.

Наличие отложений на стенках трубопроводов внутренних сетей и радиа­торов отопления служит причиной:

снижения коэффициента теплопередачи отопительных приборов; снижения расхода теплоносителя и тепловой нагрузки по отоплению при неизменном температурном графике подачи теплоносителя;

роста гидравлического сопротивления сети и как следствие увеличения электрической мощности, потребляемой насосами.

Очистка внутридомовых сетей и приборов отопления от отложений, образующихся в процессе эксплуатации систем тепло- и водоснабжения, позволяет устранить причину непроизводительных затрат тепловой или электрической энергии.

Рассмотрим влияние отложений на энергопотребление. Сравним гидродинамические потери первоначально чистого трубопровода с площа­дью проходного сечения S_H и потери того же трубопровода с отложениями на стенках, уменьшающими площадь проходного сечения до S₀. Отношение гидродинамических потерь можно представить как

(9.63)

В (9.63) L₀ и L_H — объёмные расходы теплоносителя, м³/с; n — показатель степени (при турбулентном режиме течения п = 0,25). Очевидно, что S_n/S₀> 1.

Относительное увеличение потребляемой электрической мощности в случае частотного регулирования подачи насоса может быть вычислено по формуле

(9.64)

Результаты расчётов по (9.64) приведены на рис. 9.17. Из рисунка видно, что непроизводительные расходы электрической энергии могут возрастать в несколько раз по мере уменьшения проходного сечения трубопровода из-за отложений на стенках. Очевидно, что очистка труб позволит исключить, или, по крайней мере, уменьшить непроизводительные расходы электро­энергии на прокачку теплоносителя.

Среди прогрессивных методов очистки труб и радиаторов отопления можно выделить пневмогидроимпульсную и электрогидроимпульсную очистку.

В основе первого из методов лежит создание кинетической волны давле­ния, распространяющейся по трубам с высокой скоростью (до 1500 м/с). Волна создаётся коротким импульсом сжатого воздуха. Воздушная пробка воздействует на столб жидкости в трубе. Ударная волна, 98 % энергии кото­рой воздействует на жидкость, и только 2 % — на стенки трубы, сбивает отложения со стенок трубы и радиатора. Очистку можно проводить без демонтажа системы отопления.

0 5 10 15 20 25

Доля сечения (1—S /S_K), занятая отложениями, %

Рис. 9.17. Относительное увеличение мощности, используемой на прокачку теплоносителя, в зависимости от степени заполнения сечения трубопровода отложениями

Технология электрогидроимпульсной очистки основана на эффекте Юткина. Кинетическая волна с избыточным давлением до 7•10⁵ Па создаётся разрядом высокого напряжения в жидкости, находящейся в трубе. Из-за разности скоростей распространения волны в жидкости и стенке трубы на поверхности соприкосновения отложений со стенкой возникают дефор­мации, которые способствуют скалыванию отложений, смываемых водой. Достигаемый эффект значительно выше по сравнению, например, с эффек­том от промывки систем отопления с применением химических реагентов, поскольку при электрогидроимпульсной очистке поверхности очищаются до металла без его разрушения. К преимуществам этого метода можно отнести: удаление практически всех видов отложений; полную очистку поверхности; экологическую безопасность; возможность очистки труб сложной конфигурации; возможность очистки систем без их демонтажа.