ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ОГРАЖДАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ ЗДАНИЯ НА ЕГО ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТЬ И ПОТЕНЦИАЛ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 519.711.3

Ю. Е. ЧАМЧИЯН, В. Н. КОВАЛЬНОГОВ, Р. В. ФЕДОРОВ

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ОГРАЖДАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ ЗДАНИЯ НА ЕГО ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТЬ И ПОТЕНЦИАЛ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ

Проанализированы теплотехнические характеристики наружных ограждающих конструкций и их влияние на микроклимат здания. Рассмотрены возможные потенциальные сферы в области обеспечения микроклимата для энергосбережения. Приведён потенциал экономии при внедрении автоматизированного регулирования систем обеспечения микроклимата.

Ключевые слова: энергоэффективность, энергосбережение, микроклимат.

Исследования выполнены при поддержке грантом Президента Российской Федерации по проекту НШ-2493.2020.8.

Введение

Удорожание топливно-энергетических ресурсов побуждает производителей и потребителей тепловой энергии всё более внимательно относиться к резервам её экономии. При внедрении энергосберегающих технологий на объектах конечного потребления тепловой энергии проводят комплексный энергоаудит, в рамках которого выполняют анализ тепловых характеристик здания и тепловых потерь, с последующей разработкой мероприятий по энергосбережению. Одним из типовых мероприятий такого рода в последнее время стало оснащение зданий окнами повышенной герметичности. Однако, внедрение таких окон не всегда обеспечивает сохранение комфортных параметров микроклимата в здании и реальную экономию тепловой энергии и денежных средств. При этом немаловажную роль здесь играет совокупность с капитальными наружными ограждающими конструкциями.

1. Реальные характеристики наружных ограждающих конструкций

Тепловая защита зданий напрямую зависит от сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций, в частности стен. К примеру, наружные стеновые ограждающие, построенные из керамзито-бетонных панелей со стеклоплиткой на наружной поверхности и растворной затиркой изнутри, имеют следующие характеристики.

Расчётное сопротивление теплопередаче такой ограждающей конструкции составляет:

1 0,005 0,346 0,004 1 2

Я =— + —-+ —-+ —-+ — = 0,98 м - С/Вт. (1)

8,7 0,76 0,44 0,12 23

Требуемое сопротивление теплопередаче стен, отвечающее санитарно-гигиеническим и комфортным условиям, составляет:

= Ь (20 +31) = 1 м2°С/Вт. (2)

0 4,5 • 8,7

Требуемое сопротивление теплопередаче стен, исходя из условий энергосбережения, составляет:

Я* = 2,82 м2°С/Вт. (3)

© Чамчиян Ю. Е., Ковальногов В. Н., Федоров Р. В., 2020

При этом экспериментальное исследование такой стены показывает результат, который расходится с расчётным (рис. 1).

Рис. 1. Экспериментальное определение сопротивления теплопередачи наружной стены здания

Согласно полученным данным следует, что фактическое сопротивление теплопередачи в реперной точке ограждающей конструкции составляет ^ = 0,38 (Вт/м2-°С). С учётом:

- абсолютной погрешности определения сопротивления теплопередачи аЯ = 0,047 Вт/(м2-°С);

аЯ

- относительной погрешности определения сопротивления теплопередачи 100 = 12,4%.

К0

Наглядное отклонение фактического сопротивления передачи от расчётного и нормативных приведено на рис. 2.

... I

12 3 4

Рис. 2. Иллюстрация числовых значений сопротивления теплопередачи наружной стены здания: 1 - фактическое сопротивление теплопередачи; 2 - расчётное сопротивление теплопередачи; 3 - требуемое сопротивление теплопередаче стен, отвечающее санитарно-гигиеническим и комфортным условиям;

4 - требуемое сопротивление теплопередаче стен, исходя из условий энергосбережения

2. Энергоэффективность и потенциал энергосбережения в обеспечении микроклимата

Основными параметрами микроклимата зданий, регламентируемыми в отечественных и зарубежных стандартах, являются: температура, относительная влажность, скорость движения (подвижность) внутреннего воздуха. Для жилых, общественных и административных зданий кроме перечисленных параметров микроклимата жёстко регламентируется концентрация двуокиси углерода СО2, которая оказывает существенное влияние на работоспособность и здоровье человека (табл. 1).

Таблица 1

Влияние концентрации углекислого газа в воздухе на человека

Концентрация углекислого газа, см3/м3 Симптомы у взрослых здоровых людей

350-450 Нормальный уровень на открытом воздухе

до 600 Приемлемые уровни

600-1000 Жалобы на несвежий воздух

1000 Максимальный уровень стандартов ASHRAE и OSHA

1000-2500 Общая вялость

2500-5000 Возможны нежелательные эффекты на здоровье

За поддержание вышеприведённых параметров в установленных пределах отвечают инженерные системы обеспечения микроклимата. Следует отметить, что в зданиях, особенно старой постройки, нередко проводят ремонты и реконструкции различной сложности, изменяющие технологическую нагрузку и назначение помещений. При этом зачастую не обращают должного внимания на действующую систему обеспечения микроклимата, которую также следует реконструировать и модернизировать в соответствии с изменяющимися условиями. С учётом изложенного целью работы является комплексное исследование влияния окон повышенной герметичности на микроклимат зданий на примере главного учебного корпуса Ульяновского государственного технического университета.

Тепловой баланс, составленный для отдельно взятого помещения или здания в целом, складывается из следующих составляющих:

а+в2+вз+в4=йъ+бб+ бт, (4)

где Q1 - тепловая мощность системы отопления, Вт; Q2 - совокупная тепловая мощность осветительных приборов, Вт; Q3 - поступление теплоты от находящихся внутри людей, Вт; Q4 -поступление теплоты за счёт инсоляции, Вт; Q5 - тепловые потери за счёт теплопередачи через ограждающие конструкции, Вт; Q6 - тепловые потери, связанные с инфильтрацией наружного воздуха, Вт; Q7 - тепловые потери, связанные с вентиляцией помещения, Вт.

Мониторинг теплового состояния здания (до оснащения окнами повышенной герметичности), показал, что до 60 % тепловых потерь приходится на составляющую Q5 и не менее 40 % приходится на долю составляющих Q6 и Q7 (рис. 3). Из анализа априорной информации следует, что внедрение окон повышенной герметичности оказывает непосредственное влияние на составляющую Q6 теплового баланса, сводя её практически к нулю, и опосредованное влияние на составляющие Q1, Q4 и Q7. Именно вследствие опосредованного влияния реальная экономия тепловой энергии, обеспечиваемая внедрением окон повышенной герметичности, оказывается существенно меньше ожидаемой. Рассмотрим особенности этого опосредованного влияния подробнее.

Очевидно, что реализовать преимущества от использования окон повышенной герметичности можно только при условии соответствующего уменьшения тепловой мощности в1 системы отопления. Если составляющая в1 теплового баланса не будет адаптирована к изменению составляющей в6, это приведёт к повышению температуры в помещениях. Так, после оснащения главного учебного корпуса окнами повышенной герметичности, температура в помещениях превысила комфортный уровень в среднем на 5.. .6 °С. Следствием этого является рост скрытых тепловых потерь за счёт проветривания помещений, который сводит к нулю положительный эффект от уменьшения составляющей 06.

Одним из вариантов технического решения в этом случае является внедрение автоматизированных систем оптимального управления теплопотреблением зданий на основе его регулирования по времени суток, по фасадам и по этажам здания. В условиях уменьшения величины составляющей теплового баланса в1 (потенциально более чем в 1,4 раза) возрастает значимость всех других составляющих левой части теплового баланса (1), и в особенности составляющей б4, которую в условиях окон традиционных конструкций считали пренебрежимо малой.

10

15

20

Время сутки

30

Рис. 3. Сравнение затрат энергии на отопление здания (верхняя кривая) с тепловыми потерями за счёт теплопередачи через ограждающие конструкции (нижняя кривая)

Опосредованное влияние окон повышенной герметичности на составляющую Q^ теплового баланса (1) заключается в том, что при нулевой инфильтрации наружного воздуха возрастает нагрузка на систему вентиляции. Расчёт дополнительной нагрузки на систему вентиляции следует в этом случае вести по допустимым концентрациям загрязняющих веществ. Так, применительно к двуокиси углерода дополнительный объёмный расход воздуха, удаляемого из помещения системой вентиляции, может быть рассчитан по формуле

" (5)

АОу =-

Оп

- — О,,

где ОСо - объёмный расход углекислого газа, выделяющегося в помещении, см3/ч; п1 и п2 -

допустимые концентрации углекислого газа в наружном воздухе и в воздухе помещения, см3/м3; Оу0 - объёмная производительность действующей системы вентиляции в помещении, м3/ч;

На рис. 4 представлены экспериментальные и расчётные графики зависимости концентрации СО2 в воздухе от времени в одной из аудиторий здания главного учебного корпуса с окнами повышенной герметичности. В расчётах Оу0 принято равным 580 м3/ч, значения п1 и п2 приняты равными 1000 и

380 см3/м3 соответственно.

По результатам измерения концентрации СО2 в воздухе выявлено пиковое превышение допустимого значения концентрации двуокиси углерода (см. табл. 1). Исследования показали, что установка окон повышенной герметичности без модернизации и регулирования системы обеспечения микроклимата отрицательно влияет на параметры внутреннего воздуха помещений. Дополнительная нагрузка на систему вентиляции в анализируемых условиях составила 40...50 %, что требует реконструкции системы вентиляции или внедрения систем автоматического управления вентиляцией.

Далее рассмотрим пример взаимного влияния автоматического управления вентиляцией и тепло-потреблением здания, где реализовано регулирование теплопотребления.

Проведённое моделирование взаимного влияния работы автоматического управления системы вентиляции и теплопотребления показало, что экономия тепловой энергии при регулировании системы вентиляции по потребности способно сэкономить до 30% тепловой энергии, потребляемой зданием. На рис. 5 представлены результаты данного моделирования при реализации постоянного поддержания комфортной температуры на отметке 20оС и регулирования вентиляции по потребности.

0

5

п — п

2

1200 1050 ! 900

«

я

л &

<и Я И

£ 450

750

600

300

9:20 10:10 10:50 11:50 12:30 13:20

14:00 14:50 15:30

Рис. 4. Изменение концентрации углекислого газа в аудитории с окнами повышенной герметичности: 1 -эксперимент; 2 - расчёт; 3 - загрузка аудитории; 4 - предельно допустимая концентрация газа; 5 - концентрация углекислого газа в свежем воздухе.

9

0

т, ч

Рис. 5. Теплопотребление здания: 1 - без автоматического управления вентиляцией;

2 - при наличии системы автоматического управления вентиляцией

Заключение

Реальная экономия тепловой энергии, обеспечиваемая внедрением окон повышенной герметичности, как правило, оказывается существенно меньше ожидаемой из-за сопутствующего увеличения скрытых тепловых потерь за счёт проветривания помещений либо вследствие возрастающей вентиляционной нагрузки в системе обеспечения микроклимата. Влияние фактических характеристик существенно сказывается на потенциале энергосбережения здания. Технико-экономические преимущества от использования окон повышенной герметичности могут быть реализованы только при условии комплексного выполнения следующих мероприятий:

- уменьшение тепловой мощности системы отопления пропорционально уменьшению инфильтра-ционной составляющей теплового баланса в помещениях здания;

- адаптивное управление тепловой мощностью системы отопления на основе регулирования по времени суток, по фасадам и по этажам здания;

- оптимизация режима функционирования и структуры системы вентиляции с учётом изменения составляющих теплового баланса помещений и возросшей вентиляционной нагрузки.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ртищева А. С. Исследование теплоизоляционных свойств ограждающих конструкций здания // Труды VI Школы-семинара молодых учёных и специалистов академика РАН В. Е. Алемасова «Проблемы тепломассообмена и гидродинамики в энергомашиностроении». — Казань, 2008. - C. 423-425.

2. Ковальногов Н. Н., Ртищева А. С., Цынаева Е. А. Автоматизированная система оптимального управления отоплением учебного заведения // Известия вузов. Проблемы энергетики. - 2007. - № 3/4.

- С. 140—147.

3. СП 50.13330.2012 Тепловая защита зданий. Актуализированная редакция СНиП 23-02-2003 (с Изменением №1). - М.: Стандартинформ, 2018. - 89 с.

4. СП 131.13330.2018 "СНиП 23-01-99* Строительная климатология.- М.: Стандартинформ, 2019.

- 101 с.

5. СП 118.13330.2012 Общественные здания и сооружения. Актуализированная редакция СНиП 31-06-2009 (с Изменениями № 1—4). -М.: Минстрой России, 2014. - 118 с.

6. ^син Ю. Д., Титаев В. А., Лавров В. Н. Теплотехническое обследование ограждающих конструкций на примере кладки из пенобетонных блоков //Материалы международной научно-практической конференции «Пенобетон-2007» (Санкт-Петербург 19—21 июня 2007 г.). - СПб.: ПГУПС, 2007. - С. 99—107.

7. ГОСТ 30494-2011. Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях. -М.: Стандартинформ, 2019. - 20 с.

8. ГОСТ 26629-85. Метод тепловизионного контроля качества теплоизоляции ограждающих конструкций. - М.: Издательство стандартов, 1986. - 14 с.

9. ГОСТ 26253-2014 Здания и сооружения. Метод определения теплоустойчивости ограждающих конструкций. - М.: Стандартинформ, 2019. - 16 с.

REFERENCES

1. Rtischeva A. S. Issledovanie teploizolyacionnyh svojstv ograzhdayushchih konstrukcij zdaniya [Investigation of the thermal insulation properties of the building envelope] Trudy VI Shkoly-seminara molodykh uchenykh i spetsialistov akademika RAN V.Ye. Alemasova «Problemy teplomassoobmena i gidrodinamiki v energomashinostroyenii [Proceedings of the VI School-seminar for young scientists and specialists of the academician of the Russian Academy of Sciences V.E. Alemasova "Problems of heat and mass transfer and hydrodynamics in power engineering] // September 16—18. Kazan, 2008, pp. 423—425 (in Russian).

2. Kovalnogov N. N., Rtischeva A. S., Tsynaeva E. A. Avtomatizirovannaya sistema optimal'nogo upravleniya otopleniem uchebnogo zavedeniya [Automated system for optimal heating control of an educational institution]. Izvestiya vuzov. Problemy energetiki [Proceedings of universities. Energy problems.], 2007, vol. %, pp. 140—147 (in Russian).

3. Set of rules 50.13330.2012 Teplovaya zashchita zdanij [Aktualizirovannaya redakciya Thermal protection of buildings]. [Updated edition of SNiP] 23-02-2003 (with Amendment No. 1). Moscow, Standartinform Publ., 2018, 89 p. (in Russian).

4. Set of rules 131.13330.2018 "SNiP 23-01-99 Stroitel'naya klimatologiya *[Construction climatology]". Moscow, Standartinform Publ., 2019, 101 p. (in Russian).

5. Set of rules 118.13330.2012 Obshchestvennye zdaniya i sooruzheniya. Aktualizirovannaya redakciya [Public buildings and structures]. [Updated edition of SNiP 31-06-2009 (with Amendments №1—4)]. Moscow, Ministry of Construction of RussiaPubl., 2014, 118 p. (in Russian).

6. Sosin Yu. D., Titaev V. A., Lavrov V. N. Teplotekhnicheskoe obsledovanie ograzhdayushchih konstrukcij na primere kladki iz penobetonnyh blokov [Thermal inspection of enclosing structures on the example of foam concrete block masonry] // Materialy mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konferentsii «Penobeton-2007» (Sankt-Peterburg 19-21 iyunya 2007 g.) [Materials of the international scientific-practical conference "Foam concrete-2007" (St. Petersburg, June 19—21, 2007)], St. Petersburg, Emperor Alexander I St. Petersburg State Transport University Publ., 2007, pp. 99—107 (in Russian).

7. State Standard 30494-2011. Zdaniya zhilye i obshchestvennye. Parametry mikroklimata v pomeshcheniyah [Residential and public buildings. Indoor microclimate parameters]. Moscow, Standartinform Publ., 2019, 20 p. (in Russian).

8. State Standard 26629-85. Metod teplovizionnogo kontrolya kachestva teploizolyacii ograzhdayushchih konstrukcij. [Method of thermal imaging quality control of thermal insulation of enclosing structures]. Moscow, Publishing house of standards, 2019, 14 p. (in Russian)

9. State Standard 26253-2014 Zdaniya i sooruzheniya. Metod opredeleniya teploustojchivosti ograzhdayushchih konstrukcij [Buildings and structures. Method for determining the thermal stability of enclosing structures]. Moscow, Standartinform Publ., 2019,16 p. (in Russian).

Чамчиян Юрий Евгеньевич, старший преподаватель кафедры «Тепловая и топливная энергетика» Ульяновского государственного технического университета. Имеет статьи в области теплофизики и теплотехники.

Ковальногов Владислав Николаевич, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Тепловая и топливная энергетика» Ульяновского государственного технического университета. Имеет статьи, монографии и учебные пособия в области теплофизики, теплотехники и теплоэнергетики.

Федоров Руслан Владимирович, кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой «Ветроэнергетические системы и комплексы» Ульяновского государственного технического университета. Имеет статьи и изобретения в области численного моделирования гидрогазодинамических процессов.

Поступила 23.09.2020 г.

УДК 620.92

У. Д. МИЗХЕР, А. В. ЧУКАЛИН, С. В. БУСЫГИН, В. Н. КОВАЛЬНОГОВ, Р. В. ФЕДОРОВ

МОДЕЛИРОВАНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ГОРЕНИЯ ТОПЛИВОВОЗДУШНЫХ СМЕСЕЙ НА ОСНОВЕ БИОГАЗА

Поиск новых решений в области энергетики, предотвращающих негативное воздействие на окружающую среду, является одной из приоритетных задач для современного общества. Одним из перспективных направлений является использование биогаза как источника тепловой энергии для энергетических установок. Установлено, что основное отличие биогаза от природного газа, оказывающее влияние на плотность, теплотворность и скорость распространения пламени, вызвано наличием в его составе более 30% углекислого газа. Комбинированное сжигание природного газа и биогаза, при условии хорошего смешения за счёт тангенциально закручивающего аппарата топливо-воздушной смеси может позволить повысить стабильность горения биогаза, снизить максимальную адиабатическую температуру в зоне активного горения энергетических котлов ТЭС, что в свою очередь приведёт к снижению содержания NOx, CO2 в продуктах сгорания.

Ключевые слова: моделирование, биогаз, совместное горение, эффективность, снижение выбросов.

Исследования выполнены при поддержке грантом Президента Российской Федерации по проекту НШ- 2493.2020.8.

Введение

В России, как и в большинстве стран мира, в настоящее время одной из целей государственной политики является снижение уровня угроз, негативно влияющих на атмосферный воздух в населённых пунктах [1]. Одним из основных источников загрязнения атмосферного воздуха является

© Мизхер У. Д., Чукалин А. В., Бусыгин С. В., Ковальногов В. Н., Федоров Р. В., 2020