CC BY
49
http://vestnik-nauki.ru/
Вестник науки и образования Северо-Запада России
2015, Т 1, №4
УДК 697:721.011.25
ИННОВАЦИОННАЯ МОДЕРНИЗАЦИЯ ОТОПИТЕЛЬНО-ВЕНТИЛЯЦИОННЫХ УСТРОЙСТВ ДЛЯ МАЛОЭТАЖНЫХ ИНДИВИДУАЛЬНО ОТАПЛИВАЕМЫХ ЗДАНИЙ
В.И. Липко, ОН. Широкова
INNOVATIVE MODERNIZATION OF HEATING-VENTILATION DEVICE FOR LOW-RISE INDIVIDUALLY HEATED BUILDINGS
V.I. Lipco, O.N. Shirokova
Аннотация. Представлены научно-технологические разработки энергоэффективных и ресурсоэффективных устройств отопительно-вентиляционных систем теплоснабжения и воздухоснабжения индивидуально отапливаемых малоэтажных зданий с естественным побуждением циркуляции газовоздушных потоков, обеспечивающим минимизацию теплоэнергопотребления от внешних энергоисточников за счёт активного привлечения вторичных и природных видов энергии для создания комфортных условий проживания и экономии топливно-энергетических ресурсов в зданиях с наружными ограждениями повышенной теплозащиты и герметичности. Новизна конструктивного исполнения предлагаемых устройств заключается в особенности размещения газохода, приточного и вытяжного воздуховодов по схеме «труба в трубе», образуя кожухотрубный рекуперативный теплообменник-утилизатор с целью нагрева наружного приточного вентиляционного воздуха уходящими горючими газами от теплоисточника.
Ключевые слова: энергосбережение; ресурсосбережение; отопление; вентиляция; утилизация; микроклимат; комфорт; экология.
Abstract. Present the scientific and technological development of energy-efficient and resource-soeffective devices of heating and ventilation systems heat and air supply individually heated low-rise buildings with natural movement of circulation of air flows to ensure minimization of heat and energy consumption from external sources through active involvement of secondary and natural energies to create comfortable living conditions and to save energy resources in buildings with external enclosures with increased thermal insulation and tightness. The originality design of the proposed devices lies in the particular placement of the flue, supply and exhaust ducts according to the scheme «pipe in pipe», forming a shell and tube regenerative waste heat exchanger to heat the outdoor ventilation air leaving combustible gas from the heat source.
Key words: energy saving; resource-saving; heating; ventilation; recovery; microclimate; comfort; ecology.
В практике градостроительства известны эжекторные системы приточно-вытяжной вентиляции жилых зданий с принудительной циркуляцией воздушных потоков, получившие название «гибридной вентиляции», где над тёплым чердаком расположена вытяжная камера с глушителем, вентилятором, эжектором и дефлектором, предназначенная для усиления тяги в вытяжных каналах. Предложенная авторами естественно-механическая система вытяжной вентиляции позволяет осуществлять реконструкцию большого количества существующих высотных зданий с тёплыми чердаками, имеющих известные проблемы с вентиляцией [1-3].
При малоэтажном строительстве жилых домов коттеджного типа в агрогородках, небольших населённых пунктах, спальных пригородных районах, численность которых ежегодно возрастает, используют для автономного отопления индивидуальные котлы, так
Введение
Вестник науки и образования Северо-Запада России
http://vestnik-nauki.ru/ -------
~~^ --2015, Т. 1, №4
как из-за большого разброса абонентов по территории застройки централизованное теплоснабжение не всегда экономически обоснованно.
Предлагаемая к использованию разработка относится к отопительно-вентиляционной технике и может быть полезна для энергоресурсоэффективного тепловоздухоснабжения малоэтажных зданий коттеджного типа с вторичным использованием теплоты бытовых теплопоступлений, трансмиссионной теплоты, теряемой зданием через наружные ограждающие конструкции, теплоты выбрасываемых газов от отопительного котла, теплоты удаляемого вытяжного воздуха, а также природной теплоты солнечной радиации и энергии ветра.
Конструктивно-технологическая схема комбинированного устройства приточно-вытяжной вентиляции с утилизацией тепловых выбросов малоэтажных зданий коттеджного типа с индивидуальными отопительными котлами, работающими на любых (жидком, твёрдом, газообразном) видах топлива, и навесными вентилируемыми светопрозрачными фасадными системами, нашедшими широкое применение в градостроительной практике благодаря своим высоким эксплуатационным и архитектурно-эстетическим характеристикам, позволяет не только экономично расходовать тепловую и электрическую энергию на поддержание комфортных параметров микроклимата, но и улучшить окружающую экологическую обстановку за счёт снижения вредных выбросов от сэкономленного топлива и улучшить экономическую составляющую от строительства и эксплуатации таких зданий (рис.1).
На рисунке 1 представлено схематично энергоресурсоэффективное устройство приточно-вытяжной вентиляции эжекторного типа индивидуально отапливаемых зданий, в дальнейшем «Устройство». Устройство включает газоход 1, выполненный из жаропрочной стальной трубы, установленный над котлом 2 и открывающийся в атмосферу сверху через эжектор 13 и дефлектор 15, а сам газоход 1 расположен соосно внутри воздухопроводящего канала 3, предназначенного для забора наружного приточного вентиляционного воздуха в нижней части через воздухоприточный патрубок 4 с регулируемой решёткой 5, соединённый со щелевым каналом 8, образованным навесным вентилируемым светопрозрачным фасадом 6 и наружными поверхностями 7 вертикальных наружных ограждающих конструкций, а под потолком каждого этажа здания открывающегося в вентилируемые помещения через приточные патрубки с регулируемыми решётками 10. Воздухопроводящий канал 3 приточного воздуха с внешней стороны соосно окружён вытяжным вентиляционным каналом 11, который открыт в каждое вентилируемое помещение через вытяжные патрубки 12 с регулируемыми решётками, а сверху открыт в приёмную камеру эжектора 13 с последующим выбросом в атмосферу через дефлектор 15.
При эксплуатации здания в отопительный период предлагаемое устройство работает следующим образом. Из топки котла 2 топочные газы согласно техническому регламенту [4] поступают в газоход 1 с температурой газообразных продуктов сгорания топлива в пределах 1гр = 110 -130 оС. Благодаря конструктивному устройству в виде
рекуперативного кожухотрубного теплообменника, работающего по схеме «труба в трубе», в которой греющим теплоносителем являются продукты сгорания топлива, движущиеся по вертикальному газоходу 1 и рекуперативно контактирующие через воздухопроводящий каналом 3 с наружным приточным вентиляционным воздухом, который является в процессе теплообмена нагреваемым теплоносителем, осуществляется его нагрев на величину А/1. Одновременно наружный воздух в воздухопроводящем канале 3 нагревается рекуперативно через внутреннюю стенку вытяжного вентиляционного канала 11, расположенного соосно с ним с внешней стороны, на величину Аt 2.
Рисунок 1 - Устройство приточно-вытяжной вентиляции с эжектором и утилизацией теплоты выбросов малоэтажных зданий с индивидуальными отопительными котлами и навесными вентилируемыми светопрозрачными фасадными системами
Наличие навесного вентилируемого светопрозрачного фасада 6 позволяет при движении наружного воздуха по целесообразному каналу 8 от входного отверстия 9 до воздухоприточного патрубка 4 с регулируемой решёткой 5 использовать трансмиссионную теплоту, теряемую зданием через вертикальные ограждающие конструкции 7 и теплоту солнечной энергии от суммарной прямой и рассеянной радиации, для предварительного подогрева наружного вентиляционного приточного воздуха за счёт парникового эффекта ещё на величину At3. Таким образом, суммарная величина предварительного подогрева наружного
вентиляционного приточного воздуха от использования предлагаемого устройства At2, оС, определяется по формуле (1)
Atъ = А^ + At2 + At 3, (1)
Входящая в формулу (1) величина At3 в свою очередь состоит из двух величин и определяется по формуле (2)
Вестник науки и образования Северо-Запада России
http://vestnik-nauki.ru/ -------
--2015, Т. 1, №4
Аtз =АЬр (2)
где АtТР - доля повышения температуры наружного воздуха от трансмиссионных потерь теплоты, теряемой вертикальными наружными ограждениями круглосуточно и постоянно в течение всего отопительного периода, оС; Аtнф - доля повышения температуры наружного
воздуха, аккумулирующего теплоту от прямой и рассеянной солнечной радиации в дневное время суток отопительного периода, при его инфильтрации через щелевой канал 8, оС.
На снижение отопительной нагрузки в дневное время существенное влияние оказывает прямая и рассеянная солнечная радиация, которая воздействует на вертикальные ограждающие конструкции здания, закрытые светопрозрачными вентилируемыми фасадными системами, и существенно поднимает температуру циркулирующего в щелевом канале 8 наружного воздуха за счёт, так называемого, «парникового эффекта» суть которого заключается в следующем. Лучистая энергия видимой части солнечного спектра с длиной волн в диапазоне от 380 до 1500 нм легко проникает сквозь кристаллическую решётку обычного силикатного стекла и нагревает наружную поверхность наружного ограждения, от которой отражается тепловой поток, но уже в виде инфракрасного излучения с длиной волны от 7,5 до 14 нм, для которых оконное стекло становится экраном, а вся отражённая тепловая энергия аккумулируется наружным воздухом, циркулирующим внутри щелевого канала 8.
Наличие в конструкции устройства эжектора 13, расположенного в чердачной части здания, позволяет использовать энергетически мощный поток улетающих в трубу дымовых газов от котла 2 не только для предварительного наружного вентиляционного приточного воздуха на значительную величину Аtz, но и для создания дополнительной к гравитационной составляющей тяги за счёт эжекции, которая увлекает за собой энергетически слабый восходящий поток вытяжного вентиляционного воздуха, который дополнительно усиливается за счёт ветрового давления, создаваемого дефлектором 15, установленным в устье вытяжной шахты 14.
Создание конструктивного исполнения и технологической схемы энергоресурсоэффективного устройства приточно-вытяжной вентиляции эжекторного типа для индивидуально отапливаемых зданий с естественной циркуляцией воздушных потоков и многократным эффектом утилизации вторичных и природных энергоисточников без привлечения дорогостоящего энергоёмкого импортного оборудования позволяет минимизировать энергопотребление от внешних энергоисточников, значительно снизить капитальные и эксплуатационные затраты и максимально улучшить условия комфортного проживания.
Менее сложной по исполнению является конструктивно-технологическая схема энергоэффективного устройства приточно-вытяжной вентиляции здания, представленная на рис. 2 [5]. Энергоэффективное устройство приточно-вытяжной вентиляции с рекуперативным подогревом приточного воздуха включает вертикально расположенный внутри здания воздухопроводящий канал 1, внутри которого расположен газоход 2 индивидуального отопительного котла 3 с выбросом топочных газов в атмосферу выше крыши. Снизу воздухопроводящий канал 1 через воздухозаборный патрубок 4 и регулируемую жалюзийную решётку 5 соединён с атмосферой и открыт поэтажно в каждое вентилируемое помещение через отверстия с приточными регулируемыми жалюзийными решётками 6. Вытяжные каналы 7 расположены с противоположной стороны каждого из вентилируемых помещений и снизу имеют отверстия с вытяжными регулируемыми жалюзийными решётками 8, а сверху открыты в атмосферу.
В предлагаемом устройстве приточный наружный воздух подаётся в здание организованно естественным путём, а на его нагрев и перемещение не требуется дополнительной установки нагревательных приборов системы отопления и вентиляторов,
http://vestnik-nauki.ru/
Вестник науки и образования Северо-Запада России
2015, Т. 1, №4
что значительно снижает потребление тепловой и электрической энергии и стоимость строительства.
Рисунок 2 - Энергоэффективное устройство приточно-вытяжной вентиляции с рекуперативным подогревом приточного воздуха для малоэтажных зданий коттеджного типа
Как показали результаты расчёта кожухотрубного теплообменника-рекуператора прямоточного действия, выполненного в соответствии с рекомендациями [6] при переменных режимах теплообмена с использованием данных, изложенных в работе [7], предлагаемое энергоэффективное устройство приточно-вытяжной вентиляции с рекуперативным подогревом приточного воздуха для малоэтажных зданий коттеджного типа, отапливаемых индивидуальными котлами, обеспечивает высокую энергоэффективность даже при низких температурах наружного воздуха. Как явствует из графиков изменения температур теплообменивающихся сред при расчетной наружной температуре X н = -25 оС для наиболее холодной Витебской области температура подаваемого в вентилируемые помещения приточного воздуха, прошедшего через теплообменник-рекуператор соответствует нормативной температуре Xв =+18 оС, а при принимаемой за среднюю наружную температуру за весь отопительный период для Витебской области Xн =-2 оС - температура приточного вентиляционного воздуха составляет Xпр = 36 оС, что
даёт основание использовать избыточную теплоту для компенсации теплопотерь зданий, т.е. использовать устройство в режиме воздушного отопления. Эти расчёты наглядно иллюстрируются графиками, представленными на рис. 3.
http://vestnik-nauki.ru/
Вестник науки и образования Северо-Запада России
2015, Т. 1, №4
Рисунок 3 - График изменения температур теплообменивающихся сред в кожухотрубном теплообменнике-рекуператоре прямоточного действия
Заключение
1. В целях значительного снижения тепло и энергопотребления малоэтажных зданий коттеджного типа с индивидуальными системами отопления целесообразно использовать для широкого внедрения в практику градостроительства разработку энергоэффективного устройства приточной вентиляции с рекуперативным подогревом наружного приточного воздуха за счёт теплоты удаляемых дымовых газов от теплоисточника.
2. В жилищном строительстве в условиях полной герметизации ограждающих конструкций необходим перевод систем приточно-вытяжной вентиляции от аэродинамического режима воздухообмена помещений за счёт инфильтрации на организованную подачу предварительно подогретого приточного воздуха в нормативных количествах в режиме эксфильтрации с выдавливанием отработанного вентиляционного воздуха через вытяжные каналы и рекуператоры в атмосферу, исключая поступление холодного наружного воздуха за счет горизонтальной ветровой и вертикальной фильтрации сквозь наружные ограждения.
Вестник науки и образования Северо-Запада России
http://vestnik-nauki.ru/ -------
~~^ --2015, Т. 1, №4
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. Малявина Е.Г., Бирюков С.В., Дианов С.Н. Вентиляция жилых домов с тёплым чердаком // Научный журнал АВОК [Электронный ресурс]. URZ: http:/www.abok.ru/ for spec/ articles.php?nid=2399 (дата обращения: 05.02.2015).
2. Липко В.И. Вентиляция герметизированных зданий: в 2 т. Новополоцк: Полоцкий государственный университет, 2000. Т.1. Теория расчёта и реформирование вентиляции герметизированных помещений. 300 с.
3. Липко В. И. Вентиляция герметизированных зданий: в 2 т. Новополоцк: Полоцкий государственный университет, 2000. Т.2. Сборник методических материалов по энергосберегающей технологии вентиляции с примерами расчета и конструирования. 246 с.
4. Богословский В.Н., Сканави А.Н. Отопление: учебник для вузов. М.: Стройиздат, 1991. 735 с.
5. Устройство приточной вентиляции здания, совмещённой с его подогревом: пат. 8998 Республики Беларусь, МПК7 F24Д7/00/ В.И. Липко, С.В. Липко, Е.А. Самохвал, Р.Н. Широкова; заявитель Полоцкий государственный университет. № u20120681; заявл. 16.07.2012; опубл. 16.11.2012// Афщыйны бюл. /Нац. цэнтр штэлектуальнай уласнасщ. 2012.
6. Теплоснабжение: Учебник для вузов / А.А. Ионин, Б.М. Хлыбов, В.Н. Браменков. Е.Н. Терлецкая; Под ред. А.А. Ионина. М.: Стройиздат, 1982. 336с.
7. Липко В.И. Энергоресурсоэффективное тепловоздухоснабжение гражданских зданий. В 2-х т. Т. 1. Новополоцк: Полоцкий государственный университет, 2004. 212 с.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Липко Владимир Иосифович Учреждение образования «Полоцкий государственный университет», г. Новополоцк, Беларусь, доцент, кандидат технических наук, доцент кафедры теплогазоснабжения и вентиляции, E-mail: kafedratgsv@mail.ru.
Lipko Vladzimir Iosifovich Educational establishment «Polotsk state University», Novopolotsk, Belarus, associate professor, Candidate of Technical Sciences, associate professor of department of heat and gas supply and ventilation, E-mail: kafedratgsv@mail.ru.
Широкова Ольга Николаевна Учреждение образования «Полоцкий государственный университет» г. Новополоцк, Беларусь, старший преподаватель кафедры теплогазоснабжения и вентиляции, E-mail: shi81@yandex.ru
Shirokova Olga Nikolaevna Educational establishment «Polotsk state University», Novopolotsk, Belarus, associate professor, Candidate of Technical Sciences, senior lecturer of department of heat and gas supply and ventilation, E-mail: shi81@yandex.ru
Корреспондентский почтовый адрес и телефон для контактов с авторами статьи:
211440, Беларусь, Витебская область, Новополоцк, ул. Блохина, 29, Учреждение образования Полоцкий государственный университет, каб. 282. Липко В.И., Широкова О.Н.
+375 (214) 53-61-96
