• Технологии
  • 20.07.2015

Пути повышения энергетической эффективности инженерного оборудования современных зданий

Модернизация инженерного оборудования не обошла стороной современные жилые здания. Практически весь фонд многоэтажных зданий в стране оснащен общедомовыми системами учета и регулирования потребления тепловой энергии.

Нормативы предусматривают обязательную установку индивидуальных средств учета и регулирования потребления тепловой энергии, а также горячей и холодной воды. Следующим шагом развития можно предвидеть автоматическую дистанционную передачу данных об учете и регулировании потребления энергетических ресурсов на центральный пункт учета и распределения тепловой энергии и диспетчеризации, как это сделано в системах АСКУЭ для автоматизированного учета электроэнергии.

Основные задачи, решаемые в процессе совершенствования инженерного оборудования – повышение энергоэффективности зданий, комфорта проживания и эксплуатационных характеристик. Неиспользованные резервы в нашей стране связаны с переходом к использованию принудительных систем вентиляции с утилизацией теплоты вентиляционных выбросов и альтернативных источников теплоснабжения зданий.

В статье рассмотрены схемы современных систем принудительной приточно-вытяжной вентиляции с утилизацией тепла вентиляционных выбросов и тепловых насосов в системах теплоснабжения.

Конструктивные схемы организованного воздухообмена жилых зданий

Одной из основных особенностей организации вентиляции в жилых зданиях является организация общего воздухообмена в квартирах, когда свежий воздух поступает в жилые помещения, а удаляется из кухни и санузла.

Для утилизации тепла вентиляционных выбросов удаляемый из квартиры воздух должен поступать на один из входов теплообменника, на второй вход которого поступает свежий воздух. Таким образом, в жилых зданиях минимальный уровень централизации при организации воздухообмена – квартира.

Такая организация воздухообмена делает проблематичным использование индивидуальных (для каждой комнаты) утилизаторов теплоты с использованием теплообменных аппаратов типа «теплая форточка», т.к. вне воздухообмена остаются туалет и ванная комната. Дополнительный недостаток полностью децентрализованной системы состоит в том, что при такой организации воздухообмена отсутствует возможность использования избытков тепла в одной из комнат для нагрева воздуха в других помещениях. К этому можно добавить, что эффективность рекуператоров при индивидуальном использовании должна быть ниже того уровня, при котором возможно выпадение конденсата в канале уходящего воздуха, т.к. отсутствует возможность его удаления.

Следовательно, при организации воздухообмена в жилом здании необходимо обеспечить удаление воздуха из кухни и санузла каждой квартиры, теплообмен удаляемого воздуха с поступающим в теплообменник наружным и поступление свежего воздуха в жилые помещения. Тем не менее при организации принудительного воздухообмена жилых помещений возможны варианты исполнения систем вентиляции с различной степенью централизации.

На рис. 1 представлена централизованная схема вентиляции многоэтажного жилого здания. Вентиляционные выбросы отдельных квартир через рекуператор – вентиляционную шахту уходят наружу. Приток также организуется через общий приточный воздуховод, рекуператор и магистральными воздуховодами разводится по квартирам. В рекуператоре происходит воздухообмен между приточным и вытяжным воздухом, из него выполняется отвод конденсированной влаги. Приток и вытяжка организованы общим приточным и вытяжным вентиляторами.

ris1.jpg

Этой схеме присущи недостатки, характерные для всех централизованных систем: отсутствие индивидуального регулирования, сложность наладки аэродинамического режима системы, необходимость вентиляторов с большим напором и, как следствие, высокий уровень шумов установки. Поэтому такие схемы могут быть использованы для небольших зданий на 5–6 квартир или для индивидуальных зданий на одну семью.

Чаще используются системы вентиляции с различной степенью децентрализации. Например, на рис. 2 приведена поэтажная схема вентиляции, в которой централизация сочетается с индивидуальными приточным и вытяжным вентиляторами, а также индивидуальными регуляторами в квартирах. Такая схема обеспечивает хорошее регулирование воздухообмена в квартирах при сохранении централизованного воздухоснабжения. Такая схема вентиляции выполнена в проекте энергоэффективного здания для г. Караганды сотрудниками ГП «Институт жилища – НИПТИС им. Атаева С. С.».

ris2.jpg

Для многоэтажных зданий предпочтительнее выглядит децентрализованная система вентиляции с общей вытяжной вентиляционной шахтой, предложенная в [1-8]. Схема вентиляции представлена на рис. 3. В каждой квартире имеется рекуператор тепла, приточный и вытяжной вентилятор, фильтры и другие элементы системы. Для крупных городов с неудовлетворительным качеством воздуха целесообразно выполнить и общий забор воздуха с уровня верхних этажей. В схеме на рис. 3а вентиляционные выбросы квартир различных этажей собираются в общую вентиляционную шахту. Дополнительно в данной схеме может быть введен общий вытяжной вентилятор.

ris3.jpg

При организации общей вытяжной вентиляционной шахты с целью исключения проблем, связанных с возможностью конденсации влаги на наружной поверхности воздуховода, целесообразно расположить вытяжную вентиляционную шахту снаружи здания, где утепление шахты должно быть достаточным для исключения замерзания конденсата внутри нее.

Недостаток такой схемы вентиляции – плохое качество воздуха на нижних этажах зданий больших городов, поэтому целесообразной является организация притока квартиры через общую приточную вентиляционную шахту, вход в которую расположен на верхних этажах здания [1], как показано на рис. 3б. Определение потерь давления на участках системы вентиляции и расчет необходимой производительности как квартирных, так и центральных вентиляторов для схем рис. 3 представляет собой отдельную задачу, решение которой приведено в [9].

Независимо от принятой схемы вентиляции необходимо обеспечить приток воздуха в комнаты квартир и удаление отработанного воздуха.

Поскольку действующие нормативы запрещают объединение вытяжных вентиляционных каналов кухни и санузла, в туалете сохраняется вытяжная вентиляционная шахта с естественным побуждением. С целью экономии энергии на входе в канал установлены клапан и вентилятор, включаемые в работу только при включении света в туалете.

К недостаткам приведенных выше систем вентиляции можно отнести необходимость прокладки приточных воздуховодов внутри квартир здания. Это накладывает определенные ограничения на требования интерьера и уменьшает объем квартир.

ris4.jpg

В [1, 9] предложена схема вентиляции, представленная на рис. 4, свободная от указанного недостатка и в какой-то степени повторяющая схему с естественным побуждением. Воздух удаляется из квартир через общую вентиляционную шахту и поступает на вход теплообменника-утилизатора, удаляясь с соответствующего выхода теплообменника в окружающее пространство. На второй вход теплообменника поступает наружный воздух, проходит через теплообменник и с его выхода направляется в воздушную прослойку в системе теплоизоляции здания. Из воздушной прослойки свежий воздух проходит через отверстия, которые могут быть расположены в подоконной части жилых помещений, над отопительными элементами. Движение воздуха происходит под действием вытяжных вентиляторов, расположенных в отверстиях вытяжных вентиляционных шахт в каждой квартире, как это показано на рисунке.

С целью исключения возможности попадания пыли из прослойки в приточный воздух возможна доставка воздуха в квартиры воздуховодами, расположенными в прослойке теплоизоляции. Наиболее удобна реализация такой схемы при выполнении энергоэффективной реконструкции зданий старого жилфонда.

Представленные схематично на рис. 1–4 системы реализованы в проектах энергоэффективных зданий.

Об использовании тепловых насосов в системах отопления зданий

За последние 30 лет мировое потребление энергии выросло почти в 2 раза и составило в 2000 г. 12,3 млрд т.у.т. Среднегодовые темпы прироста мирового энергопотребления составили 2,7% [9].

Одним из путей снижения уровня закупок энергоносителей является применение новых энергосберегающих технологий, использующих нетрадиционные возобновляемые источники энергии (НВИЭ). Преимущества технологий, использующих НВИЭ, по сравнению с их традиционными аналогами связаны не только со значительными сокращениями затрат энергии в системах жизнеобеспечения зданий и сооружений, но и с их экологической чистотой, а также с новыми возможностями в области повышения степени автономности систем жизнеобеспечения. Перспективной областью их внедрения являются системы энергоснабжения зданий.

При этом одним из наиболее эффективных в настоящее время считается широкое применение теплонасосных систем теплоснабжения (ТСТ), использующих в качестве повсеместно доступного источника тепла низкого потенциала, в частности, грунта поверхностных слоев земли, воздуха, грунтовых вод, водоемов и пр.

Эффективность работы тепловых насосов в зависимости от условий эксплуатации

Экономическая эффективность использования тепловых насосов для отопления и горячего водоснабжения зданий определяется значением коэффициента преобразования (трансформации) тепла (СОР). Значение СОР равно отношению количества тепловой энергии, отданной ТН в систему отопления здания, к электрической энергии, затраченной на работу компрессора. Эффективность тепловых насосов увеличивается при уменьшении разности температур испарителя и конденсатора.

Величина СОР зависит от многих факторов, важнейшим из которых является температура, до которой нагревается теплоноситель. На рис. 5 для ТН типа грунт/жидкость приведены зависимости значения СОР от температуры теплоносителя. Из приведенных зависимостей можно сделать вывод, что для эффективной работы теплового насоса необходимо минимизировать температуру теплоносителя в системах отопления.

Регулирование параметров теплоносителя в системах отопления осуществляется по температурному графику. На рис. 6, 7 и 8 приведены температурные графики для традиционной водяной, напольной и воздушной систем отопления соответственно. Графики на рис. 5 построены для условий, приведенных в табл. 1. Рассмотрено два варианта применения систем воздушного отопления: в энергоэффективном доме с рекуперацией тепла вытяжного воздуха и в стандартном здании.

ris5-7.jpg

Обеспечение требуемой температуры подаваемого в систему напольного отопления теплоносителя tг,т.п (рис. 7, на графике прямая 3) обычно осуществляется путем подмешивания к воде, подаваемой от системы теплоснабжения здания с расходом Gг и температурой tг (прямые 1 или 2), охлажденной воды на выходе из системы напольного отопления в количестве Gохл с температурой tо,т.п (прямая 4). Для примера на рис. 7 расчетные значения температурных параметров (при tн = –30°C) приняты tг = 95°C, tг,т.п = 45°C и tо,т.п = 30°C, а расчетная температура воздуха tв в отапливаемом помещении для построения графика качественного регулирования задана 20°C.

ris8.jpg

На рис. 8 представлены графики температуры воздуха в системе воздушного отопления для энергоэффективного, с принудительной вентиляцией и рекуперацией тепла, и обычного зданий. Из приведенных графиков можно сделать вывод, что косвенно снижение удельного потребления тепловой энергии на отопление приводит к снижению температуры теплоносителя в системе отопления и повышению эффективности работы теплового насоса.

С целью сравнительного анализа использования ТН с различными системами отопления были определены значения СОР для трех рассмотренных вариантов систем с учетом приведенных на рис. 6–8 отопительных графиков. Определение среднего в течение отопительного сезона значения СОР выполнялось по формуле:

formula.jpg

где Tk – значение температуры наружного воздуха в соответствующем интервале температур, °C;

Nk – количество дней отопительного периода со значением температуры Tk для условий г. Минска;

N – общее количество дней отопительного периода;

K – количество температурных интервалов.

ris9.jpgНа рис. 9 приведены графики зависимости СОР от температуры наружного воздуха, рассчитанные по приведенной выше методике для трех типов систем отопления: традиционного водяного с отопительными элементами, напольной системы отопления и воздушного отопления. Средние значения СОР, рассчитанные по формуле (1), для указанных типов отопления приведены в табл. 2.

Из графика на рис. 9 видно, что наиболее высокое значение СОР в диапазоне от 0 до –25°С имеет система напольного отопления с применением тепловых насосов, при этом даже при снижении температуры наружного воздуха до –25°С значение СОР не становится ниже 3,8. Соответственно, систему напольного отопления можно использовать без дополнительных источников энергии на протяжении всего отопительного периода.

Эффективность применения систем воздушного отопления с тепловыми насосами приемлема при температуре наружного воздуха до –15°С, при дальнейшем снижении температуры наружного воздуха целесообразно комбинированное применение систем воздушного отопления с другими системами отопления.

Применение систем традиционного водяного отопления нецелесообразно. Из приведенных в табл. 2 и на рис. 9 данных расчетов можно сделать вывод, что с точки зрения эффективности использования тепловых насосов в наибольшей степени подходит напольное отопление.

tabl1.jpg

Заключение

Анализ схем применения систем принудительной приточно-вытяжной вентиляции с рекуперацией тепла вентиляционных выбросов может быть полезен при проектировании энергоэффективных жилых зданий. Использование тепловых насосов в системах теплоснабжения зданий должно быть увязано с типом используемой системы теплоснабжения зданий.

По материалам практической конференции «Современные инженерные системы в гражданском строительстве Республики Беларусь: водо- и теплоснабжение», Минск, 2014 г.

Комментарии
Комментариев к материалу пока нет
Оставить комментарий