CC BY
67
УДК 697.148
Анализ модели работы дежурного отопления как энергосберегающего мероприятия
Э. Р. Ахметов,
Уфимский государственный нефтяной технический университет, аспирант, техник-лаборант кафедры промышленной теплоэнергетики
Проведён анализ работы дежурного отопления в здании на примере упрощённой модели, учитывающей нестационарность тепловых процессов. Организация дежурного режима отопления действительно может служить энергосберегающим мероприятием, однако справедливая количественная оценка в экономии может быть дана лишь с учётом сложных нестационарных тепловых процессов в здании.
Ключевые слова: дежурное отопление, моделирование, аккумулирующая способность здания, форсированный режим.
При использовании дежурного отопления в качестве энергосберегающего мероприятия часто имеет место неотлаженная работа регулирующей автоматики и системы отопления зданий. Постановлением Правительства РФ «Об утверждении Правил установления требований энергетической эффективности для зданий, строений, сооружений...» предусматривается, что вводимые в эксплуатацию при строительстве, реконструкции, капитальном ремонте общественные здания должны быть оборудованы устройствами автоматического снижения температуры воздуха в нерабочее время в зимний период. Возникает закономерная задача: определить условия работы дежурной системы отопления с учётом инерционности при нагреве и остывании зданий.
Для моделирования процессов нагрева и остывания зданий необходима разработка достаточно сложного алгоритма, который позволит учесть многие факторы, влияющие на сложный теплообмен в зданиях. Однако существует упрощённая зависимость изменения температуры от времени при остывании и нагреве, которая выведена в [1]:
Р =
х
Дж/(м'
3
0С);
е - Неперово число;
Р - коэффициент аккумуляции, характеризующий аккумулирующую способность наружных ограждений, ч:
Р-Б-у-С 2-У-х '
где ^ - температура, которая установится в помещении через z часов после нарушения нормального теплового режима, ОС; - температура, которая была в помещении в момент нарушения теплового режима, 0С;
^ - температура наружного воздуха, ОС;
Q - количество тепла, подаваемого в помещение, Дж/ч;
V - объём здания по наружному обмеру, м3;
отопительная характеристика здания,
где F - суммарная поверхность внешних ограждений, аккумулирующих тепло (стен), м2; 8 - толщина стен, м; у - удельный вес материала стен, кг/м3; С - удельная теплоёмкость стен, Дж/(кг-0С).
Чем меньше величина Р, тем ниже аккумулирующая способность здания и тем быстрее здание остывает при недоподаче тепла.
Моделирование процесса изменения температуры с использованием описанных формул допускает некоторый запас, то есть температура внутри помещения изменяется быстрее, чем в реальных условиях при равных коэффициентах аккумуляции. Большое влияние на адекватность рассматриваемой модели оказывают параметры ограждающих конструкций здания, определяющих его теплоаккумулирую-щую способность.
В описываемой модели не учитывается множество параметров, например: бытовые тепловыделения, различие в теплоотдаче к внутренней поверхности и от наружной поверхности стены, теплофизиче-ские свойства тел внутри ограждающих конструкций и множество других.
Приведём формулу, выведенную в [1], к следующему виду:
где k - коэффициент, показывающий долю теплоты, отпускаемую в здание.
Вычислим необходимое время для достижения проектной температуры внутреннего воздуха в помещениях после выхода системы отопления из дежурного состояния после одного выходного дня на примере общественного здания г. Уфы. Результаты показаны на рис. 1.
ч
За исходные данные в примере принята температура наружного воздуха -33 0С, проектная температура внутри здания составляет 18 ос.
18,5 18 17,5
и
° , 17 16,5 16 15,5 —
0 5 10 15 20 25 30 35 40 г,час
'вн при к=0,9, ос — 'вн при к=1,1, ос — 'вн при к=1,2, ос 'вн при к=1,3, ос ■*■ 'вн при к=1,4, ос ■*■ 'вн при к=1,5, ос
Рис. 1. Моделирование времени выхода из дежурного отопления при различный форсированный режимах (Р = 42,75 ч)
Согласно исследованиям Е. Ю. Брайниной [2], коэффициент для различных помещений кирпичных зданий составляет от 60 до 100 ч. Стоит отметить, что аккумулирующая способность здания в рассмотренном примере может иметь несколько заниженное значение.
20
16
12
8
4
0
-4
с
12
г,час
/вн при к=0, ос (Р=42,75 ч) /вн при к=0, ос (Р=100 ч)
■ 'вн при к=0, ос (Р=90 ч)
Рис. 2. Влияние коэффициента аккумуляции на скорость остывания здания при наружной температуре —33 "С
Покажем на рис. 2 влияние коэффициента аккумуляции на скорость остывания того же здания при наружной температуре -33 ос.
Настройка контроллера для установления режимов дежурного отопления согласно показанной модели даст ошибочные результаты. Однако приведённая модель позволяет дать качественную и приближённую количественную оценку в поставленной задаче.
Можно сделать вывод о том, как повышение отопительной нагрузки оказывает влияние на скорость повышения температуры относительно номинального режима. Результаты представлены в табл. 1.
На рис. 3 покажем изменение температуры внутреннего воздуха в различных режимах при наружной температуре -33 ос для рассматриваемого здания.
20
18
16
К 14
,н
12
10 8
'вн при к=1, ос ■*-'вн при к=0,7, ос
12 14 16 18 20 22 24 26 г,час
■ 'вн при к=0,9, ос ♦ 'вн при к=0,8, ос ■'вн при к=0,6, ос
Рис. 3. Изменения температурыIвнутреннего воздуха в различный режимах (Р = 42,75 ч)
Согласно [3], для жилых зданий снижение отпуска тепла рекомендуется производить с 21 часа. Через а часов регулятор должен включить отопление с расходом теплоты, обеспечивающим восстановление температуры до нормальной. Нормальная температура должна быть достигнута к 6-7 часам утра. Наиболее целесообразное снижение температуры Л^р = 2 ос (с ^ = 20 ос до 18 ос). Для ориентировочных расчётов можно принять а = 6-7 ч.
Для административных зданий продолжительность снижения отпуска тепла определяется режи-
Таблица 1
Относительная скорость восстановления температуры в здании при форсированных режимах отопления (Р = 42,75 ч)
Отопительная нагрузка, % Время восстановления температуры до проектного значения, ч скорость восстановления температуры до проектного значения, ос/ч Относительная скорость восстановления температуры до проектного значения
100 24 0,10 1,00
110 15,3 0,15 1,57
120 8,3 0,28 2,89
130 5,75 0,40 4,17
140 4,35 0,53 5,52
150 3,55 0,65 6,76
ЭНЕРГОБЕЗОПАСНОСТЬ И ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ / wmv.etidi.ru
№ 5(59) 2014, сентябрь-октябрь
Экономия теплоэнергии АЯн от снижения её отпуска в ночное время определяется выражением
■100,
где а ~ продолжительность снижения отпуска теплоты в ночное время, ч/сут.; А^р - снижение температуры воздуха в помещениях в нерабочее время, 0С; tр - усреднённая расчётная температура воздуха в помещениях, 0С (выбирается по СНиП 2.04.05 86 [4]); с - средняя температура наружного воздуха за отопительный сезон, 0С (выбирается по СНиП 2.04.05-86 [4]).
Экономия теплоэнергии АЯс от снижения её отпуска в выходные дни определяется выражением
мом работы здания, для ориентировочных расчётов можно принять a = 8-9 ч. Наиболее целесообразная величина снижения температуры А^р = 2-4 ос. При более глубоком снижении температуры необходимо учитывать возможности теплоисточника быстро увеличить отпуск тепла при резком снижении температуры наружного воздуха. В любом случае значение температуры в период ночного снижения расхода теплоты в общественных зданиях должно обеспечить отсутствие выпадения конденсата на стенах ночью.
Таким образом, при отсутствии возможности быстрого повышения отпуска тепла (форсирования) снижение температуры внутреннего воздуха более чем на 2-4 ос может оказаться неоправданным решением.
В РД.34.01-03 также имеется изложение способа расчёта экономии при установке ИТП. Большой вклад в экономию вносит именно снижение температуры помещений в ночное время и выходные дни.
В холодный период года в помещениях, которые не используются, или в нерабочее время допускается снижение температуры воздуха ниже нормируемой, но не ниже 12 0С в общественных и административно-бытовых помещениях. При задании режима регулирования подачи теплоносителя в систему отопления необходимо оценить возможности этой системы, а также при использовании наиболее точных методик вычислить необходимое время снижения температуры в здании.
Экономия теплоэнергии (АЯ) при установке ИТП с дежурным отоплением определяется выражением
АЯ = АЯП + АЯН + AQс + аяи,
где АЯп - экономия теплоэнергии от устранения перетопа зданий в осенне-весенний период, %;
АЯн - экономия теплоэнергии от снижения её отпуска в ночное время, %;
AQс - экономия теплоэнергии от снижения её отпуска в выходные дни, %;
АЯи - экономия теплоэнергии за счёт учёта теплопоступлений от солнечной радиации и бытовых тепловыделений, %.
Экономия теплоэнергии АЯп от устранения перетопа зданий в осенне-весенний период отопительного сезона, когда теплоисточник для удовлетворения нужд горячего водоснабжения отпускает теплоноситель с постоянной температурой, превышающей необходимую для систем отопления, ориентировочно может быть определена по табл. 2. Относительную продолжительность осенне-весеннего периода для г. Уфы, необходимую для определения АЯп, принимаем 28 %.
Экономия теплоэнергии от устранения перетопа зданий в осенне-весенний период
где Ь - продолжительность снижения отпуска теплоты в нерабочие дни, сут./нед. (при пятидневной рабочей неделе Ь = 2, при шестидневной Ь = 1).
Экономия теплоэнергии АЯи за счёт учёта тепло-поступлений от солнечной радиации и бытовых тепловыделений определяется по формуле
и
где А^ - усреднённое за отопительный сезон превышение температуры воздуха в помещениях сверх комфортной из-за теплопоступлений от солнечной радиации и бытовых тепловыделений, 0С. Ориентировочно можно принять А^ = 1-1,5 ос (по опытным данным).
Для рассматриваемого здания принимаем: режим работы - 5 дней в неделю, с 9 до 22 часов, ^ = 18 ос, с = -6,0 ОС, = -33 ос. Предполагается снижение температуры воздуха в помещениях на А^р = 4 ос в ночные часы (а = 8 ч/сут.) и выходные дни (Ь = 2 сут./нед.). В этом случае
АЯп = 3,08 % (по табл. 2);
Таблица 2
Относительная продолжительность осенне-весеннего периода, % от расхода отопительного сезона 5 10 15 20 25 30 35
Экономия теплоэнергии Qп, % от годового расхода 0,55 1,20 1,65 2,20 2,75 3,30 3,85
Ад = AQП + АЯн + АЯС + АЯи = = 3,08 + 5,58 + 4,78 + 6,28 = 19,72 %.
Экономия при установке ИТП с дежурным отоплением составит 19,72 % от годового теплопотребле-ния зданием на отопление.
Определим режим, при котором необходимо подавать отопительную нагрузку с 6 до 9 часов утра в случае снижения температуры внутри помещений до 14 0С при Р = 42,75 ч и £но = -33 0С. Моделирование процессов снижения температуры в ночные часы и форсированного нагрева здания на примере рассматриваемого здания показано на рис. 4.
Рис. 4. Определение режима форсирования
системы отопления. О0 — тепловая нагрузка здания на отопление, необходимая для поддержания расчётного значения внутренней температурыI помещений, Дж/ч
Таким образом, согласно РД.34.01-03, для глубокого снижения температуры в ночные часы и выходные дни на рекомендуемые 4 ос с целью обеспечения экономии 5,58 % от годового теплопотребления зданием на отопление необходимо полное прекращение подачи теплоносителя в систему отопления в течение 4-х часов. После охлаждения требуется поддержание подачи теплоты на отопление на уровне 93 % от нормативного значения. Также из рис. 4 видно, что для повышения температуры в течение 3 часов с 14 до 18 ос в рассматриваемом здании необходимо увеличить нагрузку в 2,04 раза, то есть необходима система отопления, которая позволит повышать нагрузку в короткие сроки на значительную величину.
Проанализировав формулу определения экономии теплоэнергии от снижения её отпуска в ночное время и рис. 4, нетрудно видеть, что расчёт экономии в ночные часы с учётом мгновенного охлаждения здания необоснован, поскольку даже при полном отключении отопления потребуется время для снижения температуры до 14 ос. Контрпримером данному утверждению могли бы служить лишь экспериментальные данные, которые позволили бы говорить о том, что формула для определения экономии теплоэнергии от снижения её отпуска в ночное время с достаточной точностью может описать реальную экономию. Кроме того, необходимо учитывать дополнительные затраты на форсирование системы в утренние часы (например, с помощью воздушной системы отопления).
Дежурное отопление действительно может сэкономить тепловую энергию, однако справедливая количественная оценка в экономии может быть дана лишь с учётом сложных нестационарных тепловых процессов в здании. Построение адекватной нестационарной модели при работе дежурного отопления позволит осуществить настройку дежурного отопления таким образом, чтобы обеспечить комфортные условия микроклимата.
Литература
1. Соколов Е. Я. Теплофикация и тепловые сети. - Изд. 7-е. - М.: Изд во МЭИ, 2001. - 472 с.
2. Брайнина Е. Ю. Пути снижения теплопотерь крупнопанельных зданий. Научно-техническое общество строительной индустрии: Материалы совещания / Тепловой режим жилых и общественных зданий из крупноразмерных элементов. Выпуск III. 1964.
3. РД.34.01-03 «Методика проведения энергетических обследований (энергоаудита) бюджетных организаций». Изд. 2-е.
4. СНиП 2.04.05-86 «Отопление, вентиляция и кондиционирование. Нормы проектирования».
The analysis of a setback heating model E. R. Akhmetov,
Ufa State Petroleum Technological University, postgraduate student
The analysis of building setback heating is given with a simplified model counting heating processes' non-stationarity. Setback heating can be treated as an energy saving measure but clear qualitative assessment of economy may be performed only meaning complicate non-stationary heating processes.
Keywords: setback heating, modeling, building accumulating capacity, forced mode.
ЭНЕРГОБЕЗОПАСНОСТЬ И ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ / www.endi.TU
№ 5(59) 2014, сентябрь-октябрь
