CC BY
115
Энергосбережение при использовании комбинированного обогрева помещений Н.Г. Волкова
Перспективные направления энергосбережения. Результаты исследований дополнительного обогрева помещений
Несмотря на неудовлетворительное состояние значительной части жилого фонда, объектов его инфраструктуры, а также высокие эксплуатационные затраты, сегодня по-прежнему разрабатываются строительные проекты, не сбалансированные с эксплуатационными расходами. А ведь именно в сфере эксплуатации могут быть получены наиболее высокие результаты экономии энергоресурсов.
Значительная часть проблем лежит на междициплинарных уровнях. Так, энергосбережение в первую очередь определяется оптимальным расходом тепловой энергии при отоплении зданий. Одной из важнейших задач является сохранение избыточной тепловой энергии на ТЭЦ.
Направление интеллектуальной деятельности в область аккумулирования избыточной энергии с использованием на-нотехнологий весьма перспективно. Сохранение и преобразование энергии в диапазоне максимального и минимального ее потребления в отопительный период позволят добиться экономического эффекта до 15 % при дополнительном сокращении потерь тепла в магистральных трубопроводах.
Актуальность сбережения энергоресурсов в сфере капитального строительства вызывает необходимость модернизации существующих систем отопления.
Традиционные отопительные системы инерционны, поэтому при эксплуатации зданий количественное и качественное регулирование параметров теплоносителя зачастую не обеспечивает комфортных условий в помещениях. Жильцы сталкиваются либо с перегревом, либо с недогревом помещений. Перерасход энергии и отсутствие теплового комфорта - привычные явления в домах. На практике температурный перепад в отопительных приборах, как правило, не достигает расчетных значений, поэтому большую часть отопительного периода обогревающая система конструктивно эксплуатируется со значительным запасом. Теплоустойчивость помещения и инерционность отопительных приборов являются причиной либо перегрева, либо переохлаждения помещений. В силу этого использование традиционных систем отопления при обеспечении теплового комфорта в помещениях не экономично.
К экономии энергии приводит одновременное использование двух обогревающих систем - основной инерционной и пиковой. Инерционная система поддерживает минимальный уровень температуры в помещении. Тепловой же комфорт обеспечивается системой-доводчиком с альтернативным источником энергии.
Наблюдения за тепловым режимом зданий в холодное время года показали, что наличие традиционных отопительных систем не исключает дискомфортных зон в помещениях [1]. Это подтверждено проведенными нами лабораторными и натурными исследованиями при дополнительном размещении догревающих панельных устройств в помещении [2]. Использование физической модели позволяло оценить воздействие дополнительных приборов лучистого типа на тепловой режим помещений. В ходе эксперимента внимание было сконцентрировано на основных факторах при устранении влияния метеорологических воздействий, конструктивных характеристик помещения и вентиляционных систем. Результаты подтвердили целесообразность использования дополнительных электропанелей для обеспечения требуемых температурных условий в помещении.
Были также проведены натурные исследования температурного режима мобильного дома и рассмотрены несколько вариантов компоновки и размещения отопительных приборов как лучистого, так и конвективного типа. По результатам наблюдений предпочтение было отдано приборам с лучистой теплоотдачей.
Комфортность в помещении достигается сочетанием различных факторов, определяющих его тепловое состояние. В зданиях с повышенным уровнем теплозащиты и дополнительным лучистым обогревом происходит заметное повышение радиационной температуры, которое должно компенсироваться понижением температуры воздуха. К преимуществам лучистого обогрева относится тепловой режим помещения, сформированный относительно равномерными температурными полями ограждающих конструкций, а также высокой радиационной и довольно низкой температурой воздуха, которая обеспечивает комфортную его влажность, благотворно сказывающуюся на дыхательных функциях организма. Панельные системы хорошо совмещаются с общей системой отопления и способствуют уменьшению количества пыли в воздухе.
Использование дополнительного обогрева снижает установочную мощность основной системы отопления и сокращает расход тепловой энергии.
Утилизация и аккумуляция тепла в течение года могут существенно меняться. Расчет обеспеченности теплового комфорта помещения должен производиться с учетом взаимосвязи составляющих всего комплекса воздействий, при этом одному из его параметров придается определяющая роль.
При выборе наружных воздействий следует учитывать их вероятностный характер, позволяющий оценить число откло-
нений реальных составляющих микроклимата от расчетных, общую продолжительность отклонений и характеристику наиболее невыгодного разового отклонения. Задавая уровень дискомфорта в зависимости от числа или продолжительности отклонений, подбирают комбинации расчетных условий для различных инженерных систем здания, удовлетворяющих заданным требованиям. Коэффициент обеспеченности для систем комбинированного обогрева может равняться 0,7-0,8.
Важным требованием энергосбережения являются системы автоматического регулирования и управления, эффективность работы которых зависит от теплоустойчивости здания, а также тепловой, гидравлической и аэродинамической устойчивости его инженерных систем.
Новые технологии комбинированного отопления помещений с использованием пиковых электрических доводчиков реально способствуют обеспечению надежности, устойчивости, долговечности и безотказности функционирования здания и его инженерных систем [3]. Стоимость автоматического регулирования приводит к удорожанию отопительной системы примерно на 20%. При дополнительном панельном обогреве можно также использовать ручное регулирование. Реконструкция существующих систем может производиться в отопительный период.
Эксплуатационные трудности отопительных систем
Участившиеся аварийные ситуации в теплоснабжении свидетельствуют о необходимости модернизации обогревающих систем. В последние годы в России широко применяются зарубежные отопительные приборы. В то же время увеличились ассортимент и объем производства отечественных радиаторов и конвекторов [4]. Тем не менее существуют значительные различия в нормативном подходе к применению отечественных и зарубежных приборов.
Проблемы с использованием отопительных приборов в отечественном строительстве сегодня весьма актуальны [5]. Это обусловлено многими причинами, включая несоответствие температуры воздуха в помещении требуемым ее значениям. При традиционной системе отопления тепловой комфорт в помещении зависит от гидравлической устойчивости системы с подводящими трубопроводами и оптимальной теплоотдачей нагревательных приборов, соотнесенной с теплопотерями помещения.
Существующая практика допускает замену одного прибора в квартире на другой при условии сохранения неизменной тепловой мощности. Законное изменение (обычно увеличение) тепловой мощности прибора возможно только по заключению специальной комиссии. Это объясняется тем, что замена отопительного прибора даже при сохранении его тепловой мощности способна привести к катастрофическим результатам вследствие несовпадения характеристик сменяемых приборов по прочности, гидравлическим показателям, условиям эксплуатации, возможности использования при различных теплоносителях. Кроме того, требования к теплоносителю
далеко не всегда соблюдаются, а их нарушение приводит к ускоренному выходу из строя отопительных приборов.
В последние годы номенклатура зарубежных приборов в России расширилась. К тому же увеличился объем производства отечественных радиаторов и конвекторов. В помещениях зачастую устанавливают отопительные приборы, которые не соответствуют конструктивным решениям существующих систем. Случается, что владельцы квартир размещают у себя приборы, рассчитанные на гораздо меньшее рабочее избыточное давление теплоносителя, нежели рассчитанное для данной системы отопления.
При реконструкции замена отопительных приборов в квартирах может привести к значительным эксплуатационным рискам даже при сохранении тепловой мощности приборов. Положение усугубляется тем, что требования к теплоносителю, описанные практически в единственном для всей России документе РД 34.20.501-95, далеко не всегда соблюдаются, а их нарушение приводит к ускоренному выходу из строя отопительных приборов.
При гидравлических ударах в системе отопления новые приборы становятся слабыми звеньями и разрушаются, что приводит к печальным последствиям: затоплению квартир соседей, судебным разбирательствам и т.д. Многих проблем можно было бы избежать при переходе на комбинированный обогрев помещений.
Специфика климатических условий окончания отопительного периода
Трудность адекватного реагирования на изменения погоды создает заметные проблемы, связанные с энергоснабжением, особенно в теплые годы. Люди комфортнее воспринимают перегрев, поскольку дополнительное проветривание не затруднительно. В результате наблюдается значительный перерасход тепла. Климатические ситуации, особенно в переходные времена года, приводят к перерасходу тепловой энергии. Отопительный период в жилых домах рассчитан для погодных условий, когда в течение трех дней средняя температура наружного воздуха опускается ниже 8°С, и заканчивается, когда в течение трех дней она оказывается выше 8°С.
Рассмотрим капризы погоды на примере московского региона во время окончания отопительного периода. Значительный разброс по среднесуточным температурам наружного воздуха с 1 апреля по 10 мая за последние годы там очевиден. В 2000 году с 8 по 30 апреля температура воздуха стояла выше 8°С, а с 1 по 4 мая средние ее значения были ниже 4°С, и отопление полагалось выключить только в мае. В течение двух последующих лет помещения можно было отапливать до 22 апреля, в 2003 и 2006 годах отопление можно было отключить с 3 мая, в 2004-м - с 5 мая, в 2005-м и 2010-м - с 30 апреля, в 2007-м - с 9 мая, в 2008 и 2009 годах - с 28 апреля.
Очевидно, что адаптация к климатическим условиям облегчается при использовании пиковых дополнительных систем.
Формирование теплового комфорта помещений
При использовании пиковых доводчиков предпочтение следует отдавать лучистому способу обогрева помещений, при котором в помещение передается излучением до 70 % тепла. Излучение имеет двойственную природу, так как обладает свойствами непрерывности поля электромагнитных волн и дискретности, типичной для фотонов. Синтез обоих свойств создает ситуацию, когда энергия и импульсы сосредоточиваются в фотонах, а вероятность их нахождения в том или ином месте пространства зависит от волн. Соответственно излучение характеризуется длиной волны или частотой колебаний. Тепловое излучение при достаточно низких температурах, характерных для поверхностей в помещении, захватывает узкий участок длин волн и может рассматриваться как монохроматическое, то есть состоящее из волн одинаковой длины.
Преимуществом лучистого обогрева является более комфортный тепловой режим в помещении. Сохраняются комфортная влажность и малая подвижность воздуха, уменьшается количество пыли, так как при малых скоростях перенос пыли практически не происходит, что благотворно сказывается на дыхательных функциях организма.
О роли комбинированного обогрева в энергосбережении
Современный подход к обеспечению нормируемых параметров микроклимата целесообразен как при новом строительстве, так и при модернизации систем отопления и реконструкции зданий.
Уместно отметить, что использование отопительных приборов с пониженной температурой поверхности уменьшает перемещение пыли при конвективных токах, улучшая экологию помещения. Комбинированные системы могут состоять из фоновой системы отопления, которая, оставаясь в принципе традиционной, работает с уменьшенной нагрузкой, и догре-вающих приборов.
Основная система отопления может быть панельной. Дополнительная экономия возникает за счет использования ночных провалов в потреблении тепловой и электрической энергии инерционными системами. Объем статьи не позволяет подробно остановиться на достоинствах этих систем, главной особенностью которых, пожалуй, является инерционность нагревательных конструкций здания. В климатических условиях России установка в ограждениях ряда зданий панельного водяного отопления часто не обеспечивала требуемых температурных условий в помещениях. Однако комфорт легко достижим при совместной работе основных систем отопления и электрических доводчиков.
Внедрение комбинированных систем возможно после проведения технико-экономического анализа, позволяющего установить оптимальное соотношение между установочными мощностями основной и дополнительной систем.
При реконструкции здания традиционная система отопления пересчитывается на более низкую температуру внутреннего воздуха помещений, что способствует экономии
материалов и приборов, а также снижению металлоемкости системы в целом за счет уменьшения диаметра трубопроводов и сокращения площади нагревательных приборов.
Отличительной особенностью фоновых систем является то, что они могут проектироваться проточными, нерегулируемыми и эксплуатируемыми строго в соответствии с температурным графиком тепловой сети. Соблюдение этих условий увеличивает их надежность и облегчает монтаж, приводя к значительному сокращению использования за-порно-регулировочной арматуры и упрощая регулирование, при необходимости осуществляемое в тепловых пунктах.
Что касается электрических доводчиков, то их использование целесообразно при нахождении в помещении людей, поскольку благодаря автоматической электронной регуляции не требует специального обслуживания. Система дополнительного обогрева помещений является бесшумной. Монтаж нагревательных доводчиков прост, не нуждается в сложных вмешательствах в ограждающие конструкции и может производиться в жилом или действующем помещении.
Установленный температурный режим поддерживается термостатом с датчиком температуры и интенсивности излучения, что позволяет обогреть определенные зоны в трех автоматических режимах (дневном, ночном и режиме выходных) и ручном. Кроме того, возможно обеспечение теплового комфорта отдельных зон. В общественных зданиях систему регуляции можно подключить к центральному компьютеру с мониторингом их энергетического хозяйства.
Установка электрических доводчиков с неизбежностью приведет к необходимости модернизации систем электроснабжения, дополнительной установки счетчиков и автоматических приборов отключения сети, что вписывается в энергосберегающие технологии вторичной застройки реконструируемых жилых кварталов.
Мероприятия при комбинированном обогреве представляют собой модернизацию фоновых систем отопления, учет факторов применения догревающих систем, а также реконструкцию теплового оборудования и наружных сетей.
Применение комбинированных систем вместо традиционных приведет к сокращению нагрузки на тепловую сеть, упростит ее ремонт и профилактическое обслуживание, тем самым способствуя сокращению штата обслуживающего и аварийного персонала, экономии материалов и оборудования, высвобождению помещений.
Снижение тепловой мощности основных отопительных систем прямо пропорционально скажется на энергозатратах тепловых сетей и, как следствие, приведет к уменьшению мощности установочного оборудования.
Уменьшение нагрузки на систему теплоснабжения облегчит эксплуатацию тепловых сетей, количественное и качественное регулирование систем энергоснабжения, повысит их надежность, а также сократит затраты на водоподготовку.
При прокладке новых участков тепловых сетей стоимость последних может быть снижена за счет проведения энерго-
сберегающих мероприятий, что позволит уменьшить металлоемкость систем и объемы теплоизоляционных материалов.
Внедрение комбинированных систем в проекты вторичной застройки жилых кварталов может привести к крупномасштабному энергосбережению при эксплуатации жилого фонда за счет устранения перегрева помещений. Использование предлагаемых систем скажется на социальной сфере, поскольку позволит снизить затраты на коммунальные платежи за тепловую энергию.
Особое значение приобретает выработка комплексного подхода к внедрению в практику строительства новых обогревающих систем. При выборе конструктивных решений можно значительно сократить материалоемкость дополнительно устанавливаемых устройств, повысить энергоэффективность зданий при удобстве их эксплуатации.
Для рационального обогрева помещений желательно использование аккумуляционной фоновой и малоинерционной систем. Теплоаккумуляционные системы могут быть представлены массивными отопительными приборами и их фрагментами, совмещенными с конструкцией здания.
Перспективы разработки электропанелей нового поколения
Внутренний комфорт помещений зависит от внедрения новых технических решений, разрабатываемых на уровне экспериментального строительства. Накоплен определенный опыт использования электропанелей в качестве догревающих устройств. При разработке опытных образцов электронагревателей на гетинаксе основные трудности возникали при применении электропроводящего слоя. В настоящее время получены органические полимеры, проводящие ток. Этот класс, сохраняющий свойства металлов и полимеров, обладает большим преимуществом - технологичностью. Разработанные полимеры сочетают механические свойства пластмасс - гибкость, прочность, ковкость, эластичность и др. - с высокой электропроводностью. Свойства электрополимеров могут быть модифицированы с использованием специальных методов органического синтеза.
С 1977 года ученые Алан Хигер, Алан Мак-Диармид и Хи-дэки Сиракава опубликовали труды о структуре и механизмах проводимости в органических проводниках и в 2000 году были удостоены Нобелевской премии по химии за открытие и развитие проводящих полимеров. Использование этого открытия для разработки малоинерционных нагревательных приборов панельного типа может способствовать массовому внедрению электропанелей, разработка нового поколения которых сегодня возможна, так как сохранена для этого необходимая производственная база и накоплен опыт экспериментальных, лабораторных и натурных исследований.
Литература
1. Волкова Н.Г. Влияние электропанелей на тепловой режим здания // Сборник докладов четвертой научно-практической конференции «Проблемы строительной теплофизики
систем обеспечения микроклимата и энергосбережения в зданиях». М.: НИИСФ, 1999.
2. Волкова Н.Г. Исследование на модели теплового режима отапливаемого помещения с дополнительным размещением электропанелей в верхней зоне // Актуальные проблемы развития жилищно-коммунального хозяйства городов и населенных пунктов. Девятая Международная научно-практическая конференция 30 мая-6 июня 2010 г. Москва, София, Кавала.
3. Волкова Н.Г. Время использования лучистых доводчиков // Academia. 2010. № 3.
4. Сасин В.И. Как нам реорганизовать российский рынок отопительных приборов // АВОК. 2012. № 3.
5. Сасин В.И. Некоторые проблемы применения отопительных приборов в России // Аква-Терм, Отопление и ГВС-радиаторы. 2001. № 3.
Literatura
1. Volkova N.G. VLiyanie electropanelej na teplovoj rezhim zdaniya // Sbornik dokladov chetvertoj nauchno-prakticheskoj konferenzii «Problemy stroitelnoj teplofiziki sistem obespecheni-ya mikroklimata i ergosberezhenia v zdaniyah». M.: NIISF, 1999.
2. Volkova N.G. Issledovanie na modeli teplovogo rezhima otaplivaemogo pomeschenia s dopolnitelnym razmescheniem electropanelej v verhnej zone // Aktualnye problemy razvitiya zhilischno-kommunalnogo hozyajstva gorodov i naselennyh punktov. Devyataya Mezhdunarodnaya nauchno-prakticheskaya konferenziya 30 maya-6 ijunya 2010 g. Moskva, Sofiya, Каvаlа.
3. Volkova N.G. Vremya ispolzovaniya luchistyh dovodchi-kov // Academia. 2010. № 3.
4. Sasin V. Kak nam reorganizovat rossijskij rynok otopitel-nyh priborov // AVO^ 2012. № 2.
5. Sasin V. Nekotorye problemy primeneniya otopitelnyh priborov v Rossii // Ама-Тега, отоplеnie i GVS-radiatory. 2001. № 3.
Energy-Saving through the Combined Heating of Premises. By N.G.Volkova
The urgency of energy-saving technologies as a way of achievement of economic and social effect is shown. The weak points of the traditional heating systems are shown. Special attention is given to the combined heating of the inner space. The article contains the information on the application of additional heating devices. The attention is paid to the weather whims in transitional times of the year. The author explains the necessity of development of modified electrical panels.
Ключевые слова: тепловой комфорт, энергосбережение, комбинированные системы отопления, электропанели.
Key words: thermic comfort, an energy-saving, the combined heating services, electropanels.
