CC BY
9Кобелев Н. С., д-р техн. наук, проф., Минко В. А., д-р техн. наук, проф., Кобелев В. Н., канд. техн. наук, Семиненко А. С., старший преп., Гунько И. В., аспирант, Токарева А. В., студент, Тарасов Д. М., студент
Белгородский государственный технологический университет им В.Г. Шухова
ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕЕ РЕШЕНИЕ В БИОСФЕРНЫХ СИСТЕМАХ ОТАПЛИВАЕМЫХ ЖИЛЫХ И ОБЩЕСТВЕННЫХ ЗДАНИЯХ
Рассмотрено одно из решений программы «Энергосбережение на 2010-2020 г. для предприятий Белгородской и Курской областей», заключающейся в локальном снижении тепловых потерь в окружающую среду из помещения за счет изменения условий теплообмена между отопительным прибором системы отопления и внутренней поверхностью наружного ограждения. Дано принципиальное конструктивное решение-устройство дополнительной локальной тепловой защиты наружных стен в системах теплоснабжения здания.
Ключевые слова: энергосбережение, тепловые потери, система отопления, биосферные системы, отопительный прибор, отражательная теплозащитная панель._
Разработанные по заданию правительства Курской области в соавторстве с коллективом Центра энергосберегающего оборудования и материалов, образованного на базе кафедры «Теп-логазоснабжение и вентиляция» под руководством ректора ЮЗГУ С.Г.Емельянова «Программы энергосбережения на 2010-2020 г. для предприятий Курска и Курской области», содержит перечень коллективных мероприятий по внедрению энергосберегающих технологий и оборудования. Данные мероприятия также могут быть использованы и для Белгородской области. Стратегия энергосбережения состоит из комплекса долгосрочных высокозатратных, среднезатрат-ных и первоочередных мероприятий, которые позволяют повысить надежность и эффективность работы источников тепла и тепловых сетей, внутридомовых инженерных систем, автоматизированных систем отопления в зданиях, снизить расходы теплоносителей, горячей и холодной воды.
Одним из решений «Программы» является снижение тепловых потерь в окружающую среду при теплоснабжении зданий, особенно с расположением отопительных приборовсистемы отопления вблизи внутренней поверхности наружной стены помещения.
В рамках законодательства с 1995 г. согласно СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий» значительно ужесточились требования к термическому сопротивлению ограждающих строительных конструкций зданий. В соответствии с данным нормативным документом необходимо, чтобы теплотехнические характеристики ограждающих конструкций обеспечивали выполнение
не только санитарно-гигиенических условий, т.е. условий не выпадения конденсата на их внутренней поверхности ограждающих конструкций, но и принципов энергосбережения. Для климатических условий Курска и Курской области величина термического
сопротивления стен, обеспечивающего невыпадения конденсата составляет 1,26(м2°С)/Вт, а по новым нормативам должно составлять 2,95(м2°С)/Вт, при этом ожидается снижения энергопотребления на 40%.
Для обеспечения данных требований по теплозащите необходима реализация мероприятий по оптимизации строительных конструкций (использование ограждающих конструкций с эффективной теплоизоляцией и конструкцией окон с более высоким коэффициентом сопротивления теплопередачи и воздухопроницаемости). В связи с этим были проведены работы по энерготехническому обследованию существующего жилого фонда г. Курска и г. Белгорода, а именно домов серии 1-447с-11, 1-464А-9, 91-014/1.
Реализация методов по тепловой санкции дает возможность ликвидировать избыточные теплопотери и сократить затраты тепла на поддержание микроклимата в зданиях рассматриваемых серий. Годовая экономия тепловой энергии после проведения мероприятий по дополнительной теплоизоляции наружных ограждений на отопление 1 м2жилой площади и в целом по фонду представлена в таблице 1. В среднем срок окупаемости работ по тепловой изоляции ограждающих конструкций составляет 20 лет, но с увеличением роста тарифов на тепловую энергию эти работы будут востребованы [1].
Проведенные исследования характера потерь теплоты по площади наружного ограждения показали, что наиболее интенсивно отвод теплоты из отапливаемого помещения осуществляется локально в месте установки отопительного прибора системы отопления, который преимущественно расположен вблизи внутренней поверхности наружной стены и под подоконником.
В данном случае процесс теплообмена- передачи теплоты от отопительного прибора нагреваемому внутреннему воздуху осуществляется равномерно, как по объему отапливаемого
помещения, так и воздушной прослойки до стены конвективным теплообменом, с получением теплового излучения от корпуса отопительного прибора. Так, как обогреваемый объем воздушной прослойки между ним и внутренней поверхностью наружной стены значительно меньше, чем объем обогреваемого воздуха в отапливаемом помещении, то воздушная прослойка быстро нагревается, отдавая свое тепло наружной стене и далее, в качестве тепловых потерь, в окружающую среду.
Таблица 1
Технико-экономические параметры дополнительной теплоизоляции наружных ограждений
жилых зданий_
Серия жилых домов Удельная годовая экономия тепла, Гкал/м2 Количество домов Удельные затраты на дополнительную теплоизоляцию, тыс. руб/м2 Экономия тепла целом по фонду, Гкал в
Серия 1-447с-11 3-этажные 0,02 167 1,55 7092
Серия 1-447с-11 0,03 145 1,54 20453
4-этажные
Серия 1-447с-11 0,03 307 1,54 54130
5-этажные
Серия 1-464А-9 0,06 226 1,54 75798
Серия 91-014/1 0,19 172 1,6 184721
Сложный теплообмен описывается системой уравнений, состоящей из уравнений энергии, движения и сплошности, к которым добавляется условие однозначности.
Уравнение энергии однокомпонентной воздушной среды, поглощающей, испускающей и рассеивающей энергию, имеет вид [1]
+ сНУсГг = 0 (1)
где дТ, дк, дт- соответственно векторы плотности теплового потока за счет теплопроводности, конвенции и радиации (излучения).
Перенос теплоты, как молекулярной, так и турбулентной, теплопроводностью в пограничном слое контакта внешней поверхности отопительного прибора и воздуха помещения описывает закон Фурье:
дт= (2)
здесь Т - усредненное во времени локальное значение температуры в пограничном слое;АТ - коэффициент турбулентного переноса теплоты, теплопроводностью в пограничном слое; Конвективный перенос энтальпии
Чк = р с рш хТ (3)
где р, с Р, ш х-плотность, теплоемкость при постоянном давлении и скорость перемещения воздуха помещения в пограничном слое при контакте с внешней поверхностью отопительного прибора.
Радиационный перенос теплоты приближенно определяется зависимостью
дР = -1Р7Т (4)
где Ар = - —=— - радиационный коэффициент теплопроводности;
здесь а0- постоянная Стефана-Больцмана; а — средний коэффициент теплоотдачи в пограничном слое.
Полный поток определяется суммой потоков переносимых теплопроводностью, конвекцией и радиацией, т.е.
Ч = Чт + Чк + Чт (5)
В тоже время, рассматривая поглощающую неизотермическую среду, как ограниченную плоскопараллельными стенками (наружная поверхность отопительного прибора и внутренняя поверхность наружной строительной поверхности-стены) имеем
а = )_ (6)
Аг А2 4
где Т1и Т2, а так же, А1 и А 2 температуры и коэффициенты поглощения, соответственно, поверхностей отопительного прибора и стен;1 - расстояние между поверхностями.
Тогда распределение температуры по внутренней поверхности стены определяется как
* 1 4 4 Т0
(7)
Следовательно, для снижения температуры (Т2) внутренней поверхности стены и, соответственно, уменьшения потерь теплоты теплопро-
водностью по толщине наружного строительного ограждения, необходимо по выражению (7) увеличить второе слагаемое, т.е. обеспечить больше поступление теплоты в отапливаемое помещение, устраняя его из полости под подоконником.
Расстояние 1 между отопительным прибором - нагревательным элементом системы отопления и наружной поверхностью стены ограничивается СНиПом [2], а так же дизайном помещения. Поэтому энергосберегающие действия могут осуществляться по двум направлениям. Первое - увеличение усредненного коэффициента теплоотдачи (а) за счет турбулизации пограничного слоя воздушней среды между отопительным прибором и стеной. Второе - увеличение суммарного теплового потока (д) путем возрастания радиационной составляющей, например, установкой на внутренней поверхности стены отражающей конструкции.
Предлагается устройство - отражательная перегородка (рис.1) для дополнительной локальной теплозащиты наружных ограждений, выполненное, например, из полированного алюминия, как обладающего небольшим коэффициентом поглощения - е от 0,04 до 0,06 [3], что практически устраняет передачу теплоты через наружную стену в виде радиоактивной (д^)суммарного потока (д) теплообменного аппарата. На поверхности 1 отражательной перегородки продольно по высоте выполнены попарно 2 криволинейные канавки 3. Касательная одной 4 из криволинейных канавок 3 каждой пары 2 имеет направление по движению часовой стрелки, а касательная другой 5 из криволинейных канавок 3 этой пары 2 имеет направление против движения часовой стрелки [4]. При этом расположение криволинейных канавок 3 осуществлено посекционно 6 не менее чем на трех уровнях 7. По мере поступления горячего теплоносителя в отопительный прибор системы отопления, суммарный тепловой
поток (д) равномерно распространяется нагревая как воздух полного внутреннего объема всего помещения, так и воздушную прослойку между наружной поверхностью отопительного прибора и внутренней поверхностью наружной стены. В связи с незначительностью расстояния между отопительным прибором системы отопления и внутренней поверхностью наружной стены, по сравнению с объемом отапливаемого помещения, в воздушной прослойке воздух нагревается быстрее и в результате возникающей разности плотностей, начинает перемещаться по расположенным на поверхности 1 криволинейным канавкам 3 отражательной перегородке снизу вверх в пограничном слое 8. При перемещении в пограничном слое 8 на нижнем уровне 7 по одной 4 из пары 2 криволинейных канавок 3 секции 6 поток воздуха закручивается по направлению движения часовой стрелки, одновременно на другой 5 из этой пары 2 криволинейных канавок 3 поток воздуха закручивается по направлению против хода движения часовой стрелки. В результате на выходе из нижнего уровня 7 наблюдается встречное движение закрученных микропотоков поднимающегося вверх воздуха, что приводит к образованию микровзрывов и резкой турбулизации пограничного слоя [5]. Этот процесс перехода из ламинарного движения воздуха в пограничном слое 8 в турбулентный осуществляется на всех уровнях 7 поверхности 1 отражательной перегородки, что обеспечивает устранение потери теплоты конвективной составляющей (дК) суммарного потока (д) отопительного прибора, т.е. не обогревается конвективно (из-за возросшей толщины турбулентно движущегося пограничного слоя) поверхность1 отражательной перегородки и, соответственно, внутренняя поверхность наружной стены, а теплота передаётся на нагрев воздуха во внутрь объёма отапливаемого помещения.
Рис 1. Отражательная перегородка наружной стены
Выводы.
1. Анализ мероприятий по обеспечению тепловой защиты жилого фонда городов Курска, Белгорода и их областей показал, что тепловые выбросы не только нарушают биосовместимые системы проживания людей, но и требуют дополнительных затрат на производство и транспортировку тепловой энергии потребителем.
2.Предложено принципиальное решение по снижению локальныхтеплопотерь отопительным прибором системы отопления посредством панели, изменяющей условие теплообмена на внутренней поверхности.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1.Кобелев Н.С., Семечева Н.Е., Кобелев В.Н. Основные положения энергосберегающих решений в инженерных системах промышленных и жилых зданий/ Монография.- Курск, 2012., 131с.
2. Энергосбережение. Энергетический паспорт гражданского здания. Основные положения/ Минтопэнерго.М., 1999.
3. Кобелев Н.С., Емельянов С.Г. и др., патент РФ от 27.04.2013г, Устройство для дополнительной теплоизоляции наружных стен помещений эксплуатируемых зданий//2480560.
