CC BY
20
УДК 621.311.001
Эффективность совместного применения теплоотражающих экранов в окнах и технологии предварительной осушки воздуха для систем прерывистого отопления зданий в различных регионах России и Франции
В.М. Захаров1, В.К. Пыжов1, Н.Н. Смирнов1, Д.А. Лапатеев1, Б.Фламан2 1 ФГБОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина»,
г. Иваново, Российская Федерация Национальный институт прикладных наук в Страсбурге, Франция E-mail: nsmirnov@bk.ru
Авторское резюме
Состояние вопроса: Известны новые энергосберегающие конструкции окон с теплоотражающими экранами, однако для их практического использования необходимо определение эффективности их применения с учетом существующих энергосберегающих мероприятий, в том числе прерывистого режима отопления. Материалы и методы: Использованы результаты натурных испытаний окон с теплоотражающими экранами в сертифицированной климатической камере, а также данные математической модели процесса теплопередачи через окно. Статистические климатические данные по регионам России и Франции предоставлены Росгидрометом и INSA de Strasbourg. Обработка результатов осуществлена с использованием методов математической статистики. Многовариантные расчеты показателей использования энергосберегающих окон в системах теплоснабжения зданий произведены с использованием программного комплекса Mathcad.
Результаты: Разработаны методика по определению минимальной температуры воздуха внутри помещения при дежурном режиме отопления в случае использования в окнах теплоотражающих экранов с учетом внешних и внутренних факторов, а также методика по определению величины осушки воздуха (с применением рециркуляции) в целях обеспечения дополнительного понижения допустимой температуры внутреннего воздуха для влажных помещений. Разработана методика определения эффективности использования теплоотражающих экранов в окнах, рассчитана экономия топливно-энергетических ресурсов при применении теплоотражающих экранов для различных регионов России и Франции.
Выводы: Использование разработанных конструкций окон и рекомендаций по организации работы систем прерывистого отопления зданий поможет значительно снизить потребление топливно-энергетических ресурсов как в ЖКХ, так и в промышленном секторе.
Ключевые слова: окна с теплоотражающими экранами, прерывистый режим отопления, образование конденсата, температура точки росы, относительная влажность воздуха, осушка воздуха, коэффициенты теплоотдачи, экономия энергоресурсов.
Efficiency of joint application of heat-reflecting shields in windows and air pre-drying technology in intermittent heating systems of buildings in various regions of Russia and France
V.M. Zakharov1, V.K. Pyzhov1, N.N. Smirnov1, D.A. Lapateev1, B. Flament2 Ivanovo State Power Engineering University, Ivanovo, Russian Federation 2Institut National des Sciences Appliquees de Strasbourg, France E-mail: nsmirnov@bk.ru
Abstract
Background: New energy-saving windows with heat-reflecting shields are well known but their practical application requires determining the efficiency of their use together with the existing energy-saving measures, including intermittent heating. Materials and methods: The study was based on the results of field tests of windows with heat-reflective shields in a certified climate chamber, as well as data about the mathematical model of heat transfer through the window. The statistical climatic data about the Russian and French regions were provided by RosHydroMet and INSA de Strasbourg. The results were processed by the methods of mathematical statistics. Multivariant calculations of energy efficient windows performance in heating of buildings were carried out using the Mathcad software.
Results: Two methods have been developed: the first one is aimed at determinig the minimum indoor air temperature under standby heating in buildings with heat-reflective shields in the windows, taking into account external and internal factors, while the second one - at identifying the degree of air dryness (through recirculation) to facilitate further reduction of permissible interior air temperature in damp buildings. A technique has been developed to assess the efficiency of using heat-reflective shields in windows. It was then used to calculate energy saving achieved by using heat-reflective shields in different regions of Russia and France.
Conclusions: The use of the developed heat-reflective shield windows and recommendations for intermittent heating system operation in buildings can significantly reduce the consumption of fuel and energy resources in the utility branch and in the industrial sector.
Key words: windows with heat-reflective shields, intermittent heating, condensation on windows, dew point temperture, relative air humidity, air drying, heat transfer coefficients, energy saving.
DOI: 10.17588/2072-2672.2015.5.016-025
Введение. Согласно российским законам, с 1 января 2020 года годовая удельная величина расхода энергетических ресурсов в зданиях, строениях и сооружениях должна уменьшиться на 40 % по отношению к базовому уровню.
Во Франции были приняты тепловые регламенты RT, устанавливающие поэтапное снижение потребления энергии в зданиях. В качестве регламентируемой величины выступает годовое потребление энергии в расчете на 1 квадратный метр площади здания Q, кВтч/(кв.м-год). На основании требований Закона Гренель (Loi Grenelle) от 03 августа 2009 года и теплового регламента RT 2012, с 1 января 2013 года разрешается строить только здания с низким потреблением энергии (BBC, Q < 50 кВтч/(м •год) в зависимости от региона Франции), а с 1 января 2020 года -только здания с «положительной энергией» (Bâtiment à énergie positive, BEPos), т.е. с положительным балансом, например при производстве электроэнергии у потребителя (часто фотогальваническим способом), что соответствует требованиям EPBD. Данным зданиям присваивается класс энергетической эффективности «А».
Существующие европейские и российские нормы в области энергосбережения предъявляют высокие требования к годовому потреблению энергоресурсов и, в частности, к коэффициенту сопротивления теплопередаче светопрозрачных конструкций. Так, законодательные органы Европейского союза устанавливают коэффициент сопротивления теплопередаче окон к 2020 году на уровне 1,67-2,0 м2-°С/Вт, а российские органы власти - к 2016 году на уровне 1,0-1,05 м2-°С/Вт.
Сотрудниками ИГЭУ, COSTIC и INSA Strasbourg были разработаны и запатентованы конструкции окон с теплоотражающими экранами панельного, рулонного и жалюзийного типа, выполненные из металла, которые значительно снижают тепловые потери. Применение экранов целесообразно в темное время суток или в отсутствии людей.
Определение минимальной температуры воздуха при «дежурном» режиме отопления. В сертифицированной климатической камере AHO «Ивановостройиспыта-ния» были проведены исследования [1] по изучению влияния применения теплоотра-жающих экранов в окнах на повышение сопротивления теплопередаче окон и снижение тепловых потерь. В качестве контроля использовался двухкамерный стеклопакет
4М1х10х4М1х10х4М1, а также стеклопакет 4М1х10х4М1х10х4И с нанесением на стекло низкоэмиссионного покрытия.
Отопление зданий и помещений может быть постоянным или прерывистым (периодическим). При прерывистом отоплении снижается или полностью отключается подача теплоты в здание или помещение.
Действующие нормы СП 60.13330.2012 «Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха» в холодный период года в помещениях отапливаемых зданий, когда они не используются и в нерабочее время, позволяют снижать температуру внутреннего воздуха ниже нормируемой, но не ниже 15 оС - в жилых помещениях; 12 оС - в помещениях общественных и административно-бытовых зданий; 5 оС - в «сухих» производственных помещениях. Во Франции, согласно Регламентам, понижение температуры допускается не ниже 16 оС для жилых, общественных и административно-бытовых зданий.
Авторами [1] была разработана методика по определению минимальной температуры внутреннего воздуха при дежурном режиме отопления при выполнении условия недопущения выпадения конденсата на внутренней поверхности стекла окна с повышенными теплозащитными свойствами (с применением те-плоотражающих экранов). В ходе математических преобразований было выведено, что минимальную температуру внутреннего воздуха при дежурном режиме отопления можно определить следующим образом:
¿вн _ хр ав ^окна ~ ^н дх
д а R -1
в окна
(1)
где тр - температура точки росы при параметрах воздуха в рабочее время, оС; Д^зап - температурный запас по недопущению конденсации (принимаем в 1 оС); ^ - температура наружного воздуха, оС; Яокна = Я0 - приведенное сопротивление теплопередаче светопрозрачной зоны окна, м2-°С /Вт; авн - коэффициент теплоотдачи от внутреннего воздуха к стеклу, Вт /м2°С.
Определение приведенного сопротивления теплопередаче светопрозрачной зоны окна в зависимости от внутренних и внешних параметров среды. Следует отметить, что приведенное сопротивление теплопередаче для окон с теплоотражающими экранами в реальных условиях эксплуатации не является постоянной величиной.
Таблица 1. Данные испытаний теплоотражающих экранов в окнах с низкоэмисcионным покрытием
Вариант Тепловой поток q, Вт/м2 Температура на внутреннем стекле t„, °С Приведенное сопротивление теплопередаче R, м2-оС/Вт Я/Яконтроль1 R/ Яконтроль2
Контроль 1 4М1х10х4М 1х10х4М 1 76,1 12,5 0,47 -
Контроль 2 4М1х10х4М1х10х4И (с покрытием) 58,9 14,15 0,61 1,29
Экран с холодной стороны (2 слоя) 20,77 18,65 1,757 3,74 2,89
Для большинства стеклопакетов приведенное сопротивление теплопередаче для теплотехнических расчетов принимается постоянным, причем данные взяты из результатов сертификационных испытаний1. Приведенное сопротивление теплопередаче светопрозрач-ной части окна Яо, м2-°С/Вт, определяется по формуле
Ко = Я + + Я - (2)
где - сопротивления теплообмену на
внутренней и внешней поверхностях ограждения, соответственно, м2-оС/Вт; ^Я - сумма
термических сопротивлений отдельных слоев стеклопакета и экранов, называемая термическим сопротивлением светопрозрачной части окна Ят, м2-оС/Вт.
После подстановки выражений для сопротивлений теплообмену на внутренней и внешней поверхностях ограждения получим
Ro = - + Z Ri + - =
а в Œ н
=—1—r+-
rv _L rv rv
(3)
где ав, ан - коэффициенты теплоотдачи на внутренней и наружной поверхностях ограждения соответственно, Вт/м2-°С; акв, акн - коэффициенты теплоотдачи конвекцией на внутренней и наружной поверхностях ограждения соответственно, Вт/м2-оС; алв, алн - коэффициенты теплоотдачи излучением на внутренней и наружной поверхностях ограждения соответственно, Вт/м2-оС.
При теплотехнических расчетах коэффициенты теплоотдачи на внутренней и наружной поверхностях ограждения принимают постоянными, независимыми от внешних факторов и распределения температур. Согласно [2], для окон ав = 8,0 Вт/м2-оС, ан = 23 Вт/м2-оС.
Нами была составлена математическая модель процесса теплопередачи через свето-прозрачную часть окна с использованием теплоотражающих экранов (рис. 1).
Расчеты для теплообмена на наружной поверхности производились на основе рекомендаций В.К. Савина [3], К.Ф. Фокина [4], Е.Г. Малявиной [2] по формуле Франка (4) и Стефана-Больцмана (5):
а,н = 7,34 • V0656 + 3,78 • е-1-91"" ;
ал.н = 5,67 s
тн + 273 f Г tH + 273 ^
100
100
пр
тн - fM
(4)
(5)
где V - скорость ветра, м/с; епр - приведенный коэффициент излучения; тн, ^ - температура поверхности экрана и наружного воздуха, соответственно, оС.
Яв = 19 %
t ав
1в
9к = 40-45% 9л = 60-55%
Явп = 21 % А Явп+э = 53 % Ян = 7 %
9 1
t2
9к=30-45% 9л=70-55%
9к=90-94%
9л=10-6% to
9к = 95-97% 9л = 5-3%
М.Э.
Рис. 1. Графическое представление процесса теплопередачи через окно с экранами: 1 - стекла толщиной 4 мм; 2 -металлический экран
После проведения математического моделирования было отмечено, что в случае использования с наружной стороны окна теплоот-ражающих экранов, выполненных из алюминия, коэффициент теплоотдачи излучением алн будет ничтожно мал, по сравнению с конвективным теплообменом (рис. 2, табл. 2), и будет лежать (при задаваемой разности температур тн - ^ от 2 до 15 оС) в пределах от 0,5 до 3,43 Вт/(м2^ С) в случае отсутствия экранов; в пределах от 0,66 до 0,71 Вт/(м2^ С) в случае использования экранов из сильно окисленного алюминия; в пределах от 0,13 до 0,14 Вт/(м2^ С) при использовании экранов из полированного алюминия. В случае использования экранов коэффициент теплоотдачи излучением алн будет составлять всего лишь 2-6 % от ан (табл. 2).
СП 50.13330.2012. Тепловая защита зданий. - М.: Аналитик, 2012. - 96 с.
4,00 3,50 3,00 2,50 2,00 1,50 1,00 0,50 0,00
10
15
20 дг, 0с
а „,Вт/м2С
2
3
0
5
Рис. 2. Зависимость коэффициента теплоотдачи излучением ал.н от разности температур на наружной поверхности окна тн и температуры наружного воздуха 1 - при отсутствии экрана, вст = 0,96; 2 - при использовании экрана, выполненного из сильно окисленного алюминия, 8экр = 0,2; 3 - при использовании экрана, выполненного из полированного алюминия, 8экр = 0,04 (температура наружного воздуха принята равной минус 30 оС)
Таблица 2. Рассчитанные значения коэффициентов теплоотдачи и сопротивления теплопередаче на наружной поверхности окна в зависимости от вариантов применения экранов и скорости ветра
Параметры Единица Скорость ветра, м/с
изм. 2 4 6 8
Коэффициент теплоотдачи конвекцией ак.н Вт/(м2-°С) 11,6 18,2 23,8 28,7
Коэффициент теплоотдачи ан без экранов Вт/(м2-°С) 14,9 21,4 27,0 31,9
Коэффициент теплоотдачи ан с экранами из окисленного алюминия Вт/(м2-°С) 12,3 18,9 24,4 29,4
Коэффициент теплоотдачи ан с экранами из полированного алюминия Вт/(м2-°С) 11,8 18,4 23,9 28,8
Отношение ал.н к ан без экранов % 22 15 12 10
Отношение ал.н к ан с экранами из окисленного алюминия % 5,5 3,6 2,8 2,3
Отношение ал.н к ан с экранами из полированного алюминия % 1,2 0,8 0,6 0,5
Сопротивление теплопередаче Ян без экранов (м2-°С)/Вт 0,067 0,047 0,037 0,031
Сопротивление Ян с экранами из окисленного алюминия (м2-°С)/Вт 0,081 0,053 0,041 0,034
Сопротивление Ян с экранами из полированного алюминия (м2-°С)/Вт 0,085 0,054 0,042 0,035
Необходимо отметить, что величиной, определяющей наружный конвективный теплообмен и, следовательно, сопротивление теплопередаче Ян, является скорость ветра. Согласно полученным данным (табл. 2, рис. 3), при увеличении скорости ветра с 2 до 8 м/с сопротивление теплообмену на внешней поверхности окна Ян соответственно уменьшится с 0,085 до 0,034 (м2-°С)/Вт в случае применения экрана, выполненного из алюминия разной степени полировки и окисления. Из этого следует, что окисление алюминия со стороны окружающей среды вследствие естественных причин не приведет к заметному снижению
0,09 0,08 0,07 0,06 0,05 0,04 0,03 0,02 0,01 0
общего сопротивления теплопередаче. Данное обстоятельство является важным моментом, так как, например, в процессе теплопередачи через воздушные прослойки, согласно исследованиям вышеназванных авторов и на основании данных составленной математической модели, до 50-70 % теплового потока приходится на теплоотдачу излучением, поэтому для подержания высокого сопротивления теплопередаче внутренних воздушных прослоек с использованием теплоотражающих экранов важно поддерживать низкие значения степени черноты металла.
2345678
V, м/с
Рис. 3. Зависимость сопротивления теплообмену на внешней поверхности окна Ян от скорости ветра: 1 - при отсутствии экрана, 8СТ = 0,96; 2 - при использовании экрана, выполненного из сильно окисленного алюминия, вэкр = 0,2; 3 - при использовании экрана, выполненного из полированного алюминия, вэкр = 0,04
Теплообмен с внутренней стороны окна в большей степени определяется видом течения воздушных масс, обтекающих внутреннюю поверхность остекления, и разностью температур между внутренним воздухом и на поверхности стекла тв.
Для вертикальных внутренних поверхностей акв в отапливаемых помещениях В.Н. Богословским [2] предложено определять по формуле
«к.в = 1,66 • . (6)
Если в помещении работает рециркуляционный вентиляционный аппарат или приток в помещение осуществляется механической вентиляцией, конвекцию можно считать вынужденной и коэффициент конвективного теплообмена можно определить по формуле или по зависимости, рекомендуемой АБИРАЕ 1985Ь [2]: а,в = 5,6 + 3,9 • V2, (7)
где V - скорость воздуха у внутренней поверхности ограждения, м/с.
Согласно полученным данным (табл. 3), теплоотдача излучением составляет от 54 до 67 % в теплообмене у внутренней поверхности стекла, а сопротивление теплопередаче незначительно меняется в пределах от 0,14 до 0,16 (м2-°С) /Вт.
Таблица 3. Рассчитанные значения коэффициентов теплоотдачи и сопротивления теплопередаче на внутренней поверхности окна в зависимости от разности температур (4 - Тв)
Параметры Разность температу р, 0с
2 4 6 8
Коэффициент теплоотдачи излучением алв, Вт/(м2-оС) 4,02 3,97 3,92 3,88
Коэффициент теплоотдачи конвекцией акв, Вт/(м2-оС), по формуле (5) 2,09 2,64 3,02 3,32
Коэффициент теплоотдачи ав, Вт/(м2-оС) 6,11 6,60 6,94 7,20
Сопротивление теплопередаче Яв, (м2-оС) /Вт 0,16 0,15 0,14 0,14
При использовании в окнах двойной панели из теплоотражающих экранов, установленных с наружной стороны, в ходе расчетов и экспериментальных исследований было установлено, что разность температур (^ - тв) лежит в пределах от 3 до 7 оС (в зависимости от температуры наружного и внутреннего воздуха), поэтому, на основании данных табл. 3, для проведения теплотехнических расчетов можно принять наименьшее из полученных значений равное 0,14 (м2-°С) /Вт, а ав = 7,0 Вт/(м2-°С).
Таким образом, для определения температуры дежурного отопления по выражению (1) приведенное сопротивление теплопередаче Я0 можно определить по формуле
1 1 1 " 1 (8)
Я =
7
-Я
(7,34 • V
0.656
3, 78 • 1 91*) -1 , 03'
Термическое сопротивление которое зависит от материалов, конструкции окна и разницы температур внутри и снаружи помещения, рекомендуется брать из сертификационных испытаний окон с теплоотражающими экранами при соблюдении разности между температурой внутреннего воздуха и расчетной температурой наружного воздуха для данного региона. Также, в крайнем случае, можно использовать результаты численного моделирования процесса теплопередачи через окно с экранами, реализованные, например, в средах РИоетеэ или Оотэо!.
Снижение допустимой температуры дежурного отопления за счет осушки воздуха. Моделировалось изменение приведенного сопротивления светопрозрачной части окна Я0 от 0,5 до полученных в результате эксперимента 1,757 м2-оС/Вт, температура наружного воздуха ^ задавалась от минус 10 до минус 30 оС, температура воздуха в рабочее время фиксировалась на уровне 20 оС. Расчет был произведен для относительной влажности ф, равной 35 и 50 %. Результаты расчетов иллюстрирует рис. 4.
Как и следовало ожидать, будет значительно выше при более высокой влажности внутри помещения. Применение экранов также дает значительный эффект. Так, из расчетов следует, что при относительной влажности 35 %, наружной температуре минус 30 оС и использовании окон с И-стеклом и двумя тепло-отражающими экранами минимально-допустимая температура воздуха при дежурном отоплении уменьшится с 16,4 до 7,8 оС относительно контроля 1, т. е. более чем на 8 оС, а при относительной влажности 50 % разница в температурах составит более 10 оС.
Однако стоит отметить, что при температуре наружного воздуха в минус 30 оС и повышенном сопротивлении окон с экранами минимальная температура воздуха, исходя из условия недопущения образования конденсата, при влажности в 50 % составит 13,4 оС, а при влажности 35 % - 7,8 оС (рис. 4). При меньшей температуре воздуха в случае применения дежурного режима отопления будут и меньшие затраты тепловой энергии для поддержания параметров микроклимата в помещении. Следовательно, в случае применения дежурного режима отопления и экранов в окнах было бы целесообразно дополнительно понизить вла-госодержание воздуха.
Высокая относительная влажность воздуха особенно характерна для производственных помещений таких текстильных предприятий [5], как хлопчатобумажные фабрики (ф = 45-70 %), шелковые фабрики (ф = 50-70 %), предприятия шерстяной промышленности (ф = 60-75 %), а также предприятий деревообработки и бумажной промышленности. Данные высокие значения влажности поддерживаются системами кондиционирования воздуха.
Рис. 4. Зависимость изменения минимально-допустимой температуры воздуха 7в при дежурном режиме отопления от Я и к. левая половина графика - при ф = 50 %; правая - при ф = 35 %
Были рассмотрены такие варианты осушки воздуха [6], применяемые в системах кондиционирования, как взаимодействие с охлажденным сорбентом (адсорбционный метод), организация контакта влажного воздуха с жидкой или твердой поверхностью, имеющей температуру ниже точки росы (конденсационный метод), а также процесс смешения с наружным воздухом (ассимиляция). В ходе проведенного анализа был сделан вывод, что наименее энерго- и ресурсозатратным вариантом будет случай со смешением воздуха, так как он не требует регенерации сорбента и больших расходов охлаждающей воды или электроэнергии, а наружный воздух в холодный период года обладает весьма низким вла-госодержанием d (рис. 5, точка Н).
Рис. 5. Процесс снижения влагосодержания d и температуры воздуха t при дежурном режиме отопления с помощью системы кондиционирования в холодный период года (Ь - энтальпия воздуха)
Была разработана методика по определению положения точки С, описывающей состояние среды после смешения наружного и внутреннего воздуха. Как известно, при дежурном
режиме отопления в случае использования системы кондиционирования воздуха целесообразно использовать полную рециркуляцию воздуха (процесс Вдеж1 - Одеж1). Но для понижения температуры воздуха в дежурном режиме мы предлагаем единовременно подмешать наружный воздух с низким влагосодержанием d. Положение точки С и, соответственно, степень рециркуляции прец будут определяться минимальной температурой внутреннего воздуха в точке Вдеж2, определенной по формуле (1), исходя из условия недопущения выпадения конденсата на окнах. Причем данная температура, учитывая требования нормативных документов, не должна быть ниже плюс 5 оС. После снижения влагосодержания и температуры воздуха также предлагается применять полную рециркуляцию (процесс Вдеж2 - Одеж2). Разница температур (рис. 5) между приточным (точка О) и внутренним (точка В) воздухом при понижении влагосодержания At2 будет меньше, чем в контроле (At1), что объясняется меньшим количеством тепловой энергии, затрачиваемой в подогревателе кондиционера на компенсацию потерь через оболочку здания. Возврат к параметрам воздуха, поддерживаемым в рабочее время, будет осуществляться за счет обратного увлажнения воздуха в секции орошения и подогрева его в воздухонагревателе. К достоинствам данного способа осушки также следует добавить тот факт, что в помещение после рабочей смены будет подаваться свежий воздух, что сможет повысить чистоту внутреннего воздуха и благоприятно скажется на микрофлоре помещения и самочувствии людей.
Были произведены расчеты по вышеуказанной методике для помещений с высокой влажностью (^аб = 20 оС, фраб = 50 %), с использованием теплоотражающих экранов в окнах для условий Москвы и Норильска. Результаты расчетов температур приведены на рис. 6.
25 20 15 10 5 0 -5 -10
0С
3/
,___/
октябрь ноябрь декабрь январь февраль март апрель
а)
30 20 10 0 -10 -20 -30
0С 2 4
- 'з -5 --
^^— —'
«ч
N N У
х/
октябрь ноябрь декабрь январь февраль март апрель
б)
Рис. 6. Изменение температур воздуха в помещении t при «дежурном» режиме отопления для среднемесячных условий отопительного периода в Москве (а) и Норильске (б) в зависимости от вариантов использования экранов и осушки воздуха: 1 - среднемесячная температура наружного воздуха; 2 - температура внутреннего воздуха при рабочем режиме (^н = 20 оС); 3 - то же
при стандартных условиях «дежурного» режима отопления в ^
г = 12 С; 4 - то же при минимальной температуре «дежур-
ного» режима исходя из условия недопущения конденсации без использования экранов деж. б/э; 5 -экранов в окнах деж. с/э; 6 - то же при использовании экранов в окнах и осушки воздуха деж. с/э+осуш
■ то же при использовании
Согласно расчетам и полученным данным (рис. 6,а), для условий Москвы при заданной начальной влажности воздуха в помещении, равной фраб = 50 %, и сопротивлении теплопередаче светопрозрачной части окна, равном 0,61 м2-°С/Вт, в период с ноября по март месяц допустимая температура воздуха при «дежурном» режиме отопления будет несколько выше нормируемого значения в 12 0С. В случае использования теплоотражающего экрана в окнах температуру воздуха в некоторые месяцы можно будет понизить до 10 0С, а при дополнительном применении предварительной осушки воздуха температуру воздуха можно будет снизить до 5-6 0С.
Для суровых климатических условий г. Норильска (рис. 6,б) получается еще более наглядная картина. Так, в случае отсутствия теплоотражающего экрана в окнах температуру при «дежурном» режиме отопления в январе нельзя будет опускать ниже значения ^аб = 20 оС, а в остальные месяцы она будет значительно выше нормируемой 4н. деж. ст = 12 оС; использование экранов в окнах позволяет поддерживать температуру в пределах нормируемой и только совместное использование экранов и осушки воздуха позволяет понизить температуру воздуха до значений 5 оС в октябре, марте, апреле, и до 8-10 оС - в оставшиеся месяцы холодного периода.
3
4
50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0
Q, Вт
N.
У \ ^ — V ч
/ 4 N
\
5 \
/ ^- \
------
октябрь ноябрь декабрь январь февраль март апрель
а)
90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
октябрь ноябрь декабрь январь февраль март апрель
б)
Рис. 7. Изменение тепловых потоков через окно при «дежурном» режиме отопления для среднемесячных условий отопительного периода в Москве (а) и Норильске (б) в зависимости от использования экранов и осушки воздуха: 1 - при температуре внутреннего воздуха при рабочем режиме (^н = 20 оС); 2 - то же при стандартных условиях «дежурного» режима отопления в деж. ст =12 оС; 3 - то же при минимальной температуре «дежурного» режима исходя из условия недопущения конденсации без экрана деж. б/э; 4 - то же при использовании экранов в окнах деж. с/э.; 5 - то же при использовании экранов в окнах и осушке
воздуха ^вн. деж. с/э+осуш
Согласно полученным данным (рис. 7), в январе для условий Москвы можно снизить тепловые потери через 1 м2 светопрозрачной части окна с 46 Вт при стандартных условиях (4н = 20 0С) до 11 Вт (или на 76 %) в случае использования экранов в окнах или до 7 Вт (или на 85 %) в случае совместного использования экранов и осушки воздуха; для Норильска произойдет снижение со «стандартных» 79 до 24 Вт (или на 70 %) в первом случае и до 22 Вт (на 73 %) во втором. Необходимо отметить, что относительное снижение тепловых потерь больше для условий Москвы, но для потребителя важным критерием является снижение в натуральных величинах, так как оно неразрывно связано с потреблением тепловой энергии и затратами на топливно-энергетические ресурсы (ТЭР), поэтому экономия теплоты для условий Норильска является более существенной.
Для остальных месяцев холодного периода вышеуказанные тенденции сохраняются.
Определение экономии тепловой энергии за отопительный период. После обработки статистических данных, полученных с Росгидромета и метеослужб Франции, были определены продолжительности светового дня по месяцам для различных городов РФ. Как известно, экраны целесообразно использовать в темное время суток и во время отсутствия людей. График работы персонала принят с 8 до 17 часов. В декабре месяце в г. Норильске наступает полярная ночь, солнце не поднимается над горизонтом, поэтому экраны используются круглосуточно.
Был проведен анализ времени использования экранов для городов РФ и Франции, представляющих различные климатические зоны (табл. 4).
Таблица 4. Число рабочих дней и продолжительность времени неиспользования теплоотражающих экранов в течение суток (среднее по месяцам) в окнах для различных городов РФ и Франции
Число часов в течение суток неиспользования экранов (среднее по месяцам)
город I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII
Мурманск 2 7,50 9 9 9 9 9 9 9 9 4,5 0
Норильск 2 7,50 9 9 9 9 9 9 9 9 4,5 0
Москва 7,50 9 9 9 9 9 9 9 9 9 8,5 7
Сочи 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9
Страсбург 8,5 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 8,5
Париж 8,5 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 8,5
Лион 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9
Марсель 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9
Рабочих дней в 2015 году, Россия/Франция 15 20 19 20 1 см СМ 1 см СМ 1 Т- см I см 18 17 1 см СМ 1 см со 1 см см | см 21 21 см 1 см см | см см 1 см см | см О 1 т- см | см см 1 см см | см
Для определения экономии тепловой энергии потребовались также дополнительные характеристики по городам, в том числе географическая широта 5, количество дней отопительного периода потпер, число часов неиспользования и использования экранов в течение отопительного периода п1 и п2 соответственно, расчетная температура наружного воздуха ¿расч и средняя температура наружного воздуха за отопительный период 4рот. Данные для рассматриваемых городов приведены в табл. 5.
Интересно было отметить, что для городов, находящихся практически на одной широте (68-69 о сев. широты), климатические данные значительно отличаются: в Мурманске отопительный период длится 275 дней, в Норильске - круглый год, расчетная температура наружного воздуха для Мурманска составляет минус 30 оС, а для Норильска - минус 40 оС. Несмотря на то, что Франция располагается южнее 52о северной широты (южнее Российского Белгорода) и климат значительно более теплый, отопительный период дольше, чем для большинства городов Центрального федерального округа России.
Расчет производили для окна со стекло-пакетом 4М1х10х4М1х10х4И (с теплоотра-жающим «И» покрытием) с использованием панельного экрана, состоящего из двух металлических листов, разделенных малотеплопроводной рамкой (табл. 1). Стоит особо отме-
Таблица 5. Климатические характеристики городов
тить, что при расчетах не учитывалась инерционная составляющая ограждающих конструкций зданий (стен, окон и т.д.) и систем энергообеспечения, что дает несколько завышенные, «теоретические» значения экономии тепловой энергии. Объективные расчеты необходимо производить для конкретных зданий по общеизвестным методикам.
Внутри помещения в рабочее время суток принималась расчетная температура в 20 оС и относительная влажность 40 %. В нерабочее время (и темное время) суток предусматривалось применение экранов, снижение температуры воздуха при дежурном отоплении в двух вариантах - до нормируемых 12 оС (16 оС - для условий Франции) и до минимально-допустимой температуры воздуха при выполнении условия недопущения образования конденсата на светопрозрачных конструкциях. Определялись потери теплоты за отопительный период с 1 квадратного метра окна. Данные расчетов представлены в табл. 6, 7.
Максимальную экономию тепловой энергии получаем во всех городах в случае использования панельного теплоотражающего экрана и системы автоматизации, рассчитанной на поддержание в нерабочее время дежурного режима отопления с минимально-допустимой температурой воздуха, исходя из условия недопущения конденсации, причем максимальную экономию (0,235 Гкал) получили для условий города Норильска.
Город в, град. св. широты Пот.пер, дней ^ Ор 'ср.от С lрасч, С П1, ч П2, ч
Мурманск 68 275 -3,4 -30 1237 5363
Норильск 69 365 -11,5 -40 1786 6974
Москва 55 205 -2,2 -25 1162 3758
Сочи 43 94 6,6 -2 549 1707
Страсбург 48 232* 5,8 -15 1410 4158
Париж 48 232* 7,4 -7 1410 4158
Лион 45 232* 7,4 -8 1431 4137
Марсель 43 232* 11,1 -5 1431 4137
Во Франции отопительный период для всех городов установлен с 01 октября по 20 мая.
*
Таблица 6. Потери теплоты за отопительный период с одного квадратного метра светопрозрачных конструкций, Гкал
Город Контроль, Ок С применением дежурного режима отопления (¿деж = 12оС и 16 С), Одеж (12/16) С применением экрана, Оэ С применением экрана и дежурного режима отопления (¿деж = 12оС и 16 С), Одеж(12/16)+э С применением экрана и дежурного режима отопления с пониженной температурой, °деж(тт)+э
Норильск 0,389 0,315 0,237 0,168 0,154
Мурманск 0,217 0,162 0,124 0,098 0,084
Москва 0,154 0,112 0,096 0,075 0,062
Сочи 0,043 0,023 0,027 0,017 0,011
Страсбург 0,111 0,088 0,057 0,049 0,028
Париж 0,099 0,076 0,051 0,042 0,025
Лион 0,099 0,076 0,052 0,044 0,026
Марсель 0,07 0,046 0,036 0,028 0,018
Таблица 7. Экономия теплоты за отопительный период с одного квадратного метра светопрозрачных конструкций, Гкал / %
Город Контроль, Ок С применением дежурного режима отопления (¿деж = 12оС и 16 С), Одеж (12/16) С применением экрана, Оэ С применением экрана и дежурного режима отопления (¿деж = 120С и 16 С), Одеж(12/16)+э С применением экрана и дежурного режима отопления с пониженной температурой, °деж(тт)+э
Норильск - 0,074 / 19 0,152 / 39 0,221 / 57 0,235 / 61
Мурманск - 0,055 / 25,4 0,093 / 43 0,119 / 55 0,133 / 62
Москва - 0,042 / 27 0,058 / 38 0,079 / 51,4 0,092 / 60
Сочи - 0,02 / 45 0,016 / 37,2 0,026 / 60 0,032 / 74
Страсбург - 0,023 / 21 0,054 / 49 0,062 / 56 0,083 / 75
Париж - 0,023 / 23 0,048 / 48 0,057 / 58 0,074 / 75
Лион - 0,023 / 23 0,047 / 47 0,055 / 56 0,073 / 74
Марсель - 0,024 / 34 0,034 / 49 0,042 / 60 0,052 / 74
Для южных городов России и большинства населенных пунктов Франции в случае использования предложенных энергосберегающих мероприятий годовое потребление тепловой энергии на компенсацию трансмиссионных потерь будет минимально (от 0,11 до 0,28 Гкал/м2).
Для определения реальной экономии тепловой энергии в случае использования прерывистого режима отопления, согласно рекомендациям ученых, занимающихся данным вопросом [2, 7-9], важно учитывать инерционные возможности отопительных приборов (конвекторы - обладают малой инерционностью, чугунные радиаторы и нагревательная панель в стене - высокой), способы отопления (водяное отопление - инерционная, воздушное - малоинерционная система), теплоустойчивость по-
мещений, способы организации «натопа» помещений.
На основании общеизвестной методики по моделированию теплового режима помещений при прерывистом отоплении была определена годовая экономия тепловой энергии, расходуемой на отопление административного здания компрессорной газоперекачивающей станции КС «Ивановская» (табл. 8). Расчет был произведен в случае использования воздушного отопления здания. В здании установлены окна со стеклопа-кетом 4М1х10х4М1х10х4И, предлагается применять теплоотражающую панель из двух теп-лоотражающих кранов. Согласно расчетам, в случае использования в темное время суток и во время отсутствия людей экранов без применения прерывистого режима отопления затраты тепловой энергии снижались с 611 до 465 ГДж (или на 24 %).
Таблица 8. Затраты и экономия тепловой энергии, расходуемой на отопление административного здания компрессорной газоперекачивающей станции КС «Ивановская» (за отопительный период)
Варианты
Физическая величина Контроль С применением дежурного режима отопления (¿деж = 12оС) С применением экранов в окнах С применением экрана и дежурного режима отопления (¿деж = 12оС) С применением экрана и дежурного режима отопления с пониженной температурой
Суммарные теплопотери через ограждающие конструкции, ГДж 611 486 465 380 279
Экономия теплоты за
отопительный период через ограждающие конструкции, ГДж / % - 125 / 20 146 / 24 231 / 38 332 / 54
В случае использования экранов в окнах и пониженной температуры воздуха в помещении при применении прерывистого режима отопления (во время отсутствия людей) тепловые затраты снижались до 279 ГДж (или на 54 %). Такая экономия тепловой энергии весьма значительна и удовлетворяет вышеуказанным требованиям по энергосбережению (сокращение на 40 % потребления энергии).
Заключение
Применение предложенных конструкций окон с теплоотражающими экранами, прерывистого режима отопления с предварительной осушкой воздуха, методики по определению минимально-допустимой температуры воздуха исходя из условия недопущения выпадения конденсата поможет добиться значений потребления энергоресурсов, устанавливаемых для зданий российскими и европейскими нормами [1]. Предложенные технологии являются весьма актуальными и доступными для объектов ЖКХ, общественно-административных и производственных зданий.
Список литературы
1. Энергосберегающий потенциал от использования теплоотражающих экранов с солнечными батареями в окнах для систем энергоснабжения зданий / В.М. Захаров, В.В. Тютиков, Н.Н. Смирнов и др. // Вестник ИГЭУ. - 2013. -№ 5. - С. 13-24.
2. Малявина Е.Г. Теплопотери здания. - М.: АВОК-ПРЕСС, 2007. - 144 с.
3. Савин В.К. Строительная физика: энергоперенос, энергоэффективность, энергосбережение. - М.: Лазурь, 2007. - 432 с.
4. Фокин К.Ф. Строительная теплотехника ограждающих частей зданий. - М.: Стройиздат, 1973. - 287 с.
5. Пыжов В.К. Энергетические системы обеспечения жизни и деятельности человека. - Иваново, 2014. -524 с.
6. Тюрина Е.В., Ивашкевич А.А. Осушение воздуха в помещении бассейна // Труды НИРС ТТГВ ТОГУ. -Хабаровск: ТОГУ, 2010. - С. 35-43.
P.S. Авторы выражают благодарность заведующему кафедрой русского и французского языков ИГЭУ канд. филол. наук А. П. Шумаковой за профессиональную помощь в переводе материалов статьи при ее написании сотрудниками COSTIC и ИГЭУ.
Захаров Вадим Михайлович,
ФГБОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина», кандидат технических наук, профессор кафедры промышленной теплоэнергетики, телефон (4932) 26-97-24, e-mail: colia@rambler.ru
Пыжов Валерий Константинович,
ФГБОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина», кандидат технических наук, профессор кафедры промышленной теплоэнергетики, телефон (4932) 26-97-24, e-mail: pvk@pte.ispu.ru
Смирнов Николай Николаевич,
ФГБОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина», доцент кафедры промышленной теплоэнергетики, телефон (4932) 26-97-89, e-mail: nsmirnov@bk.ru
7. Табунщиков Ю.А., Бродач М.М. Экспериментальные исследования оптимального управления расходом энергии // АВОК. - 2006. - № 1. - С. 32-40.
8. Табунщиков Ю.А., Бродач М.М. Математическое моделирование и оптимизация тепловой эффективности зданий. - М.: АВОК-ПРЕСС, 2002. - 194 с.
9. Панферов В.И., Анисимова Е.Ю. Анализ возможности экономии тепловой энергии при прерывистом режиме отопления // Вестник ЮУрГУ. Сер. Строительство и архитектура. - 2008. - Вып. 6. - № 12. - С. 30-37.
References
1. Zakharov, V.M., Tyutikov, V.V., Smirnov, N.N., La-pateev, D.A., Flaman, B., Barba, M. Energosberegayushchiy potentsial ot ispol'zovaniya teplootrazhayushchikh ekranov s solnechnymi batareyami v oknakh dlya sistem energosnabz-heniya zdaniy [Energy-saving potential of heat-reflective shields with solar batteries in windows for power supply systems of buildings]. Vestnik IGEU, 2015, issue 2, pp. 5-14.
2. Malyavina, E.G. Teplopoteri zdaniya [Heat loss of the building]. Moscow, AVOK-PRESS, 2007. 144 р.
3. Savin, V.K. Stroitel'naya fizika: energoperenos, energoeffektivnost', energosberezhenie [Building physics: energy transfer, energy efficiency, energy saving]. Moscow, Lazur', 2007. 432 р.
4. Fokin, K.F. Stroitel'naya teplotekhnika ograzh-dayushchikh chastey zdaniy. [Building thermal engineering of walling]. Moscow, Stroyizdat, 1973. 287 р.
5. Pyzhov, V.K. Energeticheskie sistemy obespeche-niya zhizni i deyatel'nosti cheloveka [Power engineering systems of human life and activity support]. Ivanovo, 2014. 524 р.
6. Tyurina, E.V., Ivashkevich, A.A. Osushenie vozdukha v pomeshchenii basseyna [Indoor dehumidification in pools]. Trudy NIRS TTGV TOGU. Khabarovsk, 2010, pp. 35-43.
7. Tabunshchikov, Yu.A., Brodach, M.M. Eksperimen-tal'nye issledovaniya optimal'nogo upravleniya raskhodom energii [Experimental study of optimal control of energy consumption]. AVOK, 2006, no. 1, pp. 32-40.
8. Tabunshchikov, Yu.A., Brodach, M.M. Matemati-cheskoe modelirovanie i optimizatsiya teplovoy effektivnosti zdaniy [Mathematical modeling and optimization of thermal efficiency of buildings]. Moscow, AVOK-PRESS, 2002. 194 p.
9. Panferov, V.I., Anisimova, E.Yu. Analiz vozmozh-nosti ekonomii teplovoy energii pri preryvistom rezhime otople-niya [Analysis of potential saving of thermal energy in the intermittent heating mode]. Vestnik YuUrGU: Stroitel'stvo i arkhi-tektura, 2008, issue 6, no. 12, pp. 30-37.
Лапатеев Денис Александрович,
ФГБОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина», аспирант кафедры промышленной теплоэнергетики, телефон (4932) 26-97-89, e-mail: l.denis7789@yandex.ru
Flament Bernard,
Institut National des Sciences Appliquées de Strasbourg,
Ph.D., responsable des formations d'ingénieur en Génie Climatique et Energétique, e-mail: bernard_flament@insa-strasbourg.fr
