Научная статья на тему 'Оценка экономии топлива в результате снижения теплопотребления за счет теплопоступлений от солнечной радиации при использовании автоматизированной системы отопления жилого здания'

Оценка экономии топлива в результате снижения теплопотребления за счет теплопоступлений от солнечной радиации при использовании автоматизированной системы отопления жилого здания Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

CC BY
292
83
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ОТОПЛЕНИЕ / АВТОМАТИЗАЦИЯ ОТОПЛЕНИЯ / ОТОПИТЕЛЬНЫЙ ПЕРИОД / СОЛНЕЧНАЯ РАДИАЦИЯ / ТЕМПЕРАТУРА НАРУЖНОГО ВОЗДУХА / ТЕПЛОПОТРЕБЛЕНИЕ / ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ / HEATING / AUTOMATION OF HEATING / HEATING PERIOD / SOLAR RADIATION / OUTSIDE-AIR TEMPERATURE / HEAT CONSUMPTION / ENERGY SAVING

Аннотация научной статьи по строительству и архитектуре, автор научной работы — Чапаев Денис Борисович

Для климатических условий г. Новокузнецка выполнена оценка снижения расхода топлива (годового и по месяцам) на отопление жилого здания вследствие снижения его теплопотребления за счет теплопоступлений от солнечной радиации в случае инсталляции в систему отопления радиаторных терморегуляторов и в узел управления теплоносителем схем погодной компенсации. Экономия топлива в осенние месяцы составляет в среднем 30 %, в зимние 10 %, в весенние 65 %, за отопительный период 30 %.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Assessment of fuel economy by reducing heat consumption due to gains from solar radiation when using automatic heating system of residential building

For the climatic conditions of Novokuznetsk the reduction of fuel consumption (annual and by month) for heating residential building due to the reduction of heat consumption at the expense of the solar radiation heat flow in case of installation to radiator thermostats into the heating system and weather compensation circuits into the node management heat medium is estimated by the author. Fuel economy in the autumn months is 30 %, in winter is10 %, in spring is 65 % and during the heating period is 30 %.

Текст научной работы на тему «Оценка экономии топлива в результате снижения теплопотребления за счет теплопоступлений от солнечной радиации при использовании автоматизированной системы отопления жилого здания»

Вестник Сибирского государственного индустриального университета № 2 (8), 2014

26. П у з ы р е в Е.М., Щ у р е н к о В.П., Ш ар а п о в М.А. Устройство для сжигания твердого топлива. Патент РФ № 2126113. . Бюл. Изобретений. № 4. 1999.

27. П у з ы р е в Е.М., Щ у р е и к о В.П., Щербаков Ф.В. Вихревая топка. Патент РФ № 2126932. Бюл. Изобретений. 1999. № 6.

28. Е о л у б е в В.А., И у з ы р е в Е.М., И уз ы р е в М.Е. Использование вихревых топок «Торнадо» в паровых котлах. Электронный ресурс: http://www.pem-energo.ru/ ispolzovanie-vihrevyh-topok-tomado-v-parovyh-kotlah (дата обращения 20.05.2014).

29. Исследования и разработки Сибирского отделения Российской академии наук в области энергоэффективных технологий / Отв. ред. С.В. Алексеенко (Интеграционные проекты СО РАН; Вып. 20). - Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2009. - 405 с.

© 2014 г. М.Н. Башкова, С.А. Казимиров, М.В. Темлянцев, В. И. Багрянцев, А. А. Рыбушкин, К С. Слажнева Поступила 21 мая 2014 г.

УДК 697.132.3

Д.Б. Чапаев

Сибирский государственный индустриальный университет

ОЦЕНКА ЭКОНОМИИ ТОПЛИВА В РЕЗУЛЬТАТЕ СНИЖЕНИЯ ТЕПЛОПОТРЕБЛЕНИЯ ЗА СЧЕТ ТЕПЛОПОСТУПЛЕНИЙ ОТ СОЛНЕЧНОЙ РАДИАЦИИ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ

ОТОПЛЕНИЯ ЖИЛОГО ЗДАНИЯ

Один из положительных моментов автоматизации систем отопления зданий - сокращение расхода топлива для теплогенератора за счет отклика систем на внешние возмущения, связанные с дополнительными теплопоступлениями. Одним из видов дополнительных теплопоступлений является поток солнечной радиации на здания, интенсификация которого приходится на осенние и весенние месяцы.

В настоящей работе для климатических условий г. Новокузнецка выполнена оценка снижения расхода топлива на отопление жилого здания вследствие снижения его теплопотребления за счет теплопоступлений от солнечной радиации в случае инсталляции в систему отопления радиаторных терморегуляторов и в узел управления теплоносителем - схем погодной компенсации. Бытовые и иные виды теплопоступлений в помещения, дополнительно увеличивающие процент экономии топлива, в расчете не учитывали.

Годовой расход топлива (В) для отопления здания определяется по формуле

В =

Q

Ббр

i=l_____

Ббр

|А^(т)с1т,

т

(1)

где Q - годовое теплопотребление системой отопления здания; ц - коэффициент полезного действия теплогенератора; Qp - располагаемая теплота топлива; к, и к) - коэффициенты теплопередачи и площади поверхности 7-х наружных ограждений здания; m - количество всех /-х наружных ограждений; xi и т2 - даты начала и конца отопительного периода; Atq(z) - температурный перепад между средами (внутренним воздухом помещений и наружным воздухом), разделенными наружными конструкциями здания, зависящий от времени х.

Величина Q численно равна суммарным за отопительный период трансмиссионным теплопотерям здания, которые составляют основную долю его теплопотерь. Значения Q можно определить по уравнению теплопередачи через

-32-

Вестник Сибирского государственного индустриального университета № 2 (8), 2014

наружные строительные конструкции здания [1]:

т

i=i ь

С целью учета влияния солнечной радиации на годовой расход топлива при определении Atq{x) предлагается учитывать (кроме собственно перепада температур внутреннего и наружного воздуха AtT(т)) также перепад температур внутреннего и наружного воздуха, обусловленный потоком солнечной радиации на здание (поправка на солнечную радиацию AtR(x)):

Аф) = А{т^)~А{к^)- (2)

Эта поправка принята со знаком «-», так как поток солнечной радиации является дополнительным теплопоступлением, снижающим значение А^(т).

Величина А^(т) - это такой перепад температур внутреннего и наружного воздуха \/7(т). при котором здание в условиях отсутствия солнечной радиации имело бы те же теплопотери, которые оно имеет при данной температуре наружного воздуха и потоке солнечной радиации.

Значения AtT(x) и AtR(x) определяются по следующим формулам:

(3)

А1д(т)=цв^св^('с), (4)

где tB - температура внутреннего воздуха помещений; 1н(т) - температура наружного воз-

духа, зависящая от времени т; ц - относительная площадь светопрозрачных ограждений здания; в - коэффициент пропускания светопрозрачными ограждениями суммарной солнечной радиации; RCB - термическое сопротивление светопрозрачного ограждения; J(x) - поток суммарной (прямой и рассеянной) солнечной радиации на поверхность окон, зависящий от времени т.

Для решения указанной задачи в формуле (3) можно принять постоянное во времени ос-редненное по зданию нормированное допустимое значение tB по ГОСТ 30494 - 2011. Формула (4) представлена из исследования Л.С. Гандина [2].

Расчет значения В можно произвести с достаточной для инженерной практики точностью, если в формулы (3) и (4) подставлять среднемесячные значения величин tu и J.

Расчет годового хода среднемесячных перепадов температур выполнен для жилого здания, расположенного в г. Новокузнецке, при следующих исходных данных: tB = 20 °С; значения tu принимали равными среднемесячным по СП 131.13330.2012; ц = 0,3; в= 0,67 (для окон с двойным остеклением без загрязнений осадками); RCB = 0,44 м2 оС/Вт (двойное остекление при коэффициентах теплоотдачи снаружи ан = 23 Вт/(м2 оС) и с внутренней стороны стены ав = 8,7 Вт/(м2 оС)). Значения J по месяцам принимали по СП 131.13330.2012 для восточной ориентации окон; эти значения соответствуют, согласно данным работы [2], среднему значению по сторонам горизонта.

Расчет годового хода среднемесячных перепадов температур АС(т), AtR{x) и А/У(т) представлен в таблице.

Расчет годового хода среднемесячных перепадов температур

Месяц t °с ./. Вт/\Г [> О О > tS* О О О О $ <

январь -17,2 46 37 -4 33

февраль -15,5 82 36 -7 28

март -8,1 129 28 -11 17

апрель 2,0 181 18 -16 2

май 10,0 194 10 -17 -7

июнь 16,6 203 3 -18 -15

июль 18,8 198 1 -18 -16

август 15,8 172 4 -15 -11

сентябрь 10,0 143 10 -13 -3

октябрь 2,2 93 18 -8 10

ноябрь -8,3 59 28 -5 23

декабрь -15,4 40 35 -4 32

Примечание. Положительные значения перепадов температур - теплопотери помещениями, отрицательные - теплопоступления в помещения.

-33 -

Вестник Сибирского государственного индустриального университета № 2 (8), 2014

Для удобства анализа полученной информации по результатам расчета построены графики (рис. 1); показаны только месяцы отопительного периода, то есть когда значения Atq больше нуля (согласно формуле (1) условие A tq > 0 соответствует положительному значению теплопотребления).

Положительные значения Atq в формуле (1) показывают наличие теплопотерь зданием, когда необходима работа системы отопления. Годовой ход положительных значений А^(х) определяет требуемую продолжительность отопительного периода. Переход кривой А^(т) (рис. 1) через горизонтальную линию At = 0 задает значения начала и конца отопительного периода (соответственно xi и т2), рассчитанные при учете совместного действия на здание температуры наружного воздуха и солнечной радиации; значения ii и х2 отмечены вертикальными линиями.

Значение В можно найти с достаточной точностью из графика годового хода Atq(z) по формуле прямоугольников с шагом тм, равном одному месяцу:

В

(5)

где хм - средняя продолжительность месяца; п - количество у-х месяцев отопительного периода (учитываются только месяцы отопительного периода).

Определим значение В для традиционной системы отопления здания без термостатического регулирования (то есть для системы, теплопотребление которой не зависит от теплопоступлений за счет солнечной радиации), обозначив его Вт и исключив из формулы (2) слагаемое AtR(z) (кривая \//(х) представлена на рис. 1).

Начало и конец отопительного периода должны определяться условием AtT(z) > 0, то есть переходом температуры через значение tu = /,,, когда отсутствуют теплопотери помещениями, что в условиях Сибирского региона означало бы почти круглогодичную работу неавтоматизированной системы отопления. В практике теплоснабжения время начала Xi и конца х2 отопительного периода приняты, согласно СП 124.13330.2012, при среднесуточной температуре наружного воздуха 8 °С за пять суток подряд lH(xi) = /,,(х2). Если принять значение tB для жилых помещений 20 °С, то в настоящее время даты начала и конца отопи-

тельного периода в условиях г. Новокузнецка определяются переходом кривой AtT(z) через горизонтальную линию At = 12 °С, а время, когда АС(т) более 12 °С, определяет продолжительность отопительного периода (вертикальные штриховые линии).

При сопоставлении сроков начала и конца отопительного периода, рассчитанных при учете совместного действия температуры tu и солнечной радиации, с определенными только по температуре видно, что в связи с избытком солнечной радиации весной целесообразно конец отопительного периода перенести так, как это показано на графике (с 10 мая на 20 апреля). При этом температура наружного воздуха конца отопительного периода 1н(х2) = = tB - А С(т2) = 20 - 16 = 4 °С, где значение Al’T (х2 ) = 16 °С принято по рис. 1.

Таким образом, избыток солнечной радиации в апреле-мае позволяет сократить отопительный период в г. Новокузнецке на 20 дней без заметного снижения комфортных условий в помещениях.

Значение Вт можно найти с достаточной точностью из графика годового хода AtT(z) по формуле прямоугольников с шагом тм, равным одному месяцу:

~ ’ 1 п Тм^(^г)у •

Пбр % J

(6)

Экономия годового расхода топлива для теплогенератора в результате автоматизации системы отопления здания (установки радиаторных терморегуляторов и схемы погодной компенсации), связанная с учетом влияния солнечной радиации на теплопотребление отопительной системой, составит

Рис. 1. Перепад температур с сентября по май для г. Новокузнецка

-34-

Вестник Сибирского государственного индустриального университета № 2 (8), 2014

Д = 5^_В10()% =

Вт

Z(A'r),-E(At Д

= —--------—-------100 % . (7)

j=1

Аналогичным образом можно уточнить ежемесячную экономию расхода топлива (при подстановке в формулу (7) вместо суммарных значений перепадов температур соответствующих перепадов температур отдельных месяцев). Значения снижения расхода топлива в случае учета системой потока солнечной радиации по месяцам отопительного периода представлены на рис. 2.

Экономия топлива за счет теплопоступлений от солнечной радиации в осенние месяцы (октябрь, ноябрь) составляет в среднем 30 % (за два месяца), в весенние месяцы (март, апрель) - 65 % за два месяца. Даже в наиболее холодные месяцы года (декабрь, январь) указанные теплопоступления позволяют снизить теплопотребление системой отопления на 10 %.

По результатам расчета годового хода перепадов температур имеем:

£(ч). °С (суммируются месяцы,

j=1 3

когда Atq > 0);

П

£(Д*Г),=210°С (суммируются месяцы,

j=1

когда ДtT(x) > 12 °С);

Д = (210-145)-100/210 « 30 %.

Рис. 2. Ежемесячная экономия топлива

Выводы. Для условий г. Новокузнецка годовая экономия топлива составит 30 %. Такое снижение затрат в весенний период, а также в те зимние дни, когда наблюдается значительный поток солнечной радиации, на фоне увеличения тарифов на отопление зданий ведет к стимулированию работ в области автоматизации систем отопления. Причем в расчете не учитывали теплопоступления от других источников (например, от бытового оборудования) и периодическое суточное увеличение плотности потока солнечной радиации в ясные дни, увеличивающие рассчитанный процент экономии. Однако следует сказать о необходимости комплексного подхода к созданию энергосберегающих систем теплопотребления: кроме обязательной инсталляции в системы терморегуляторов в совокупности со схемами погодной компенсации целесообразной является реализация схем пофасадного регулирования, а также работы по улучшению теплотехнических характеристик зданий (теплоизоляция наружных строительных конструкций и т.п.). Комплексный подход к внедрению энергосберегающих мероприятий обеспечит значительно больший экономический эффект.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Басин А.С., Чапаев Д.Б., Смирнов а Е.В. Учет метеорологических факторов, прогрева конструкций и инфильтра-ционных теплопотерь в расчете теплового потока на отопление жилых зданий района. - В кн.: Новые строительные технологии 2010: сб. науч. трудов. - Новокузнецк: изд. СибГИУ, 2010. С. 263 - 265.

2. Г а н д и н Л.С. О расчете длительности отопительного периода и норм отопления в различных климатических условиях. - В кн.: Труды Главной геофизической обсерватории. -Л.: Гидрометеоиздат, 1971. Вып. 285. С. 3- 16.

© 2014 г. Д.Б. Чапаев Поступила 16 июня 2014 г.

-35 -

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.