CC BY
14Обеспечение качества при проектировании обогревательных систем в зеленом строительстве
о сч о сч
!Л
О Ш
m
X
<
m О X X
Виноградова Наталья Алексеевна
соискатель, старший преподаватель, НИУ Московский государственный строительный университет, Lisa-xumuk@yandex.ru
Плеханова Светлана Владиславовна
кандидат технических наук, доцент, Российский государственный университет им. А.Н. Косыгина, Lisa-xumuk@yandex.ru
В статье был рассмотрен вопрос термостабилизации зданий. Сформирована математическая модель для помещения. Описаны применяемые системы термоактивных конструкций, определены их слабые и сильные стороны. Рассмотрены другие методы «пассивных» систем охлаждения, определено, что основные системы кондиционирования не в полной мере использовать является технико-экономически целесообразным, однако, как дополняющие системы для межсезонья необходимо принимать во внимание. Описана система теплоснабжения с применением теплового насоса и низкопотенциальным источником (канализационные стоки). Эта система позволяет достичь большей эффективности использования испарительно-конден-сационного цикла, за счет работы с меньшей разницей температур между подающей линии теплового насоса и температурой низкопотенциального источника. Показано, что основное внимание следует уделять развитию системы альтернативного обогрева и использования возобновляемых источников энергетики. Вместе с тем, значительная часть используемого оборудования не всегда может быть рассмотрена как составляющая общей стратегии формирования экологического здания. Применение форм обогрева на основе низкопотенциальных источников позволит улучшить экологические характеристики жилых и производственных зданий.
Ключевые слова: Зеленое строительство, механизм качества, технологический надзор, порядок работ, развитие.
Принцип работы термоактивных систем зданий (TABS) основан на тепловой инертности зданий. «Активный» элемент комбинированной системы охлаждения или нагрева работает за счет встроенных труб в структурных бетонных плитах здания [1]. При этом в трубах может протекать холодная подземная вода, охлажденная вода для поддержания системы кондиционирования или даже полного замещения [2]. Зимой эти системы могут быть использованы для подогрева бетонных конструкций с использованием низкопотенциальных источников тепла. TABS (TABS) работают при температурах, близких к температуре окружающей среды, что облегчает интеграцию возобновляемых источников энергии [3]. Основные преимущества систем TABS:
— потребность в охлаждении распределяется на более длительный период в дневное время и частично сдвигается с дневного времени на ночное. Это позволяет уменьшить пиковые нагрузки и использовать установки кондиционирования воздуха меньшей мощности.
— отказ от подвесных потолков позволяет уменьшить высоту здания, обеспечивая существенную экономию строительных материалов.
— можно использовать системы отопления или охлаждения с температурами, близкими к комнатной. Это повышает энергоэффективность тепловых насосов, конденсационных котлов, солнечных коллекторов, грунтовых теплообменников.
— для охлаждения можно использовать ночное проветривание.
— низкая стоимость монтажа, эксплуатации и технического обслуживания.
В статье [4] представлены результаты математического моделирования, сравнив использования первичной энергии и производительность вентиляции при содействии термоактивного строительства в сравнении с обычными системами в офисном здании для континентального климата города Омаха, штат Небраска (США) с выраженными периодами нагрева и охлаждения. TABS для отопления осуществляется с использованием геотермального теплового насоса и для охлаждения с использованием геотермального теплообменника без дополнительного цикла сжатия рабочего тела [5]. Было установлено, что координация TABS и традиционной системы имеет решающее значение, то есть, температура приточного воздуха и температура активного слоя сильно влияет на производительность системы в целом [6]. Небольшой вклад TABS в поддержку обогрева показывает необходимость адаптации конфигурации вентиляционной системы к TABS. Основная энергоемкость 189 кВтч/м2 была зафиксирована для случая ТАС (термоактивной системы); в отличие от этого, обычная система кондиционирования потребляет 229 кВтч/м2, т. е. разница в 20%. Можно наблюдать явные преимущества
ТАС относительно теплового комфорта: во время летних периодов охлаждения, радиационная температура корпуса ТАС в среднем на 2 °С ниже, чем для традиционной системы [7].
На основании этих результатов, использование традиционной вентиляции в сочетании с термоактивными конструкциями, является весьма перспективной альтернативой традиционным системам, предлагая, как значительную экономию первичной энергии, а также тепловые преимущества комфорта, предоставляемых ТАС и сочетаются с низькопотенциальным эксергетическим нагревом и охлаждением [8].
Важные факторы, определяющие отопительную и охлаждающую способность панельно-лучистых систем:
— коэффициент теплообмена между поверхностью и помещением, приемлемая минимальная и максимальная температура поверхности, основанная на требованиях комфорта;
— температура точки росы в помещении и интенсивность теплопередачи между трубами и материалом плиты.
Интенсивность теплообмена зависит от ориентировки поверхности и ее температуры относительно температуры помещения (соответственно при отоплении или охлаждении) [9]. Коэффициент лучистого теплообмена в большинстве случаев составляет приблизительно 5,5 Вт/(м2°С), коэффициент конвективного теплообмена будет зависеть от многих факторов [10].
Благодаря высокой инерционности систем TABS температура помещения будет изменяться в пределах, не нарушающих комфортное состояние теплового режима помещения. В работах [11] и [12] показано, что люди воспринимают смену температур внутри комфортного диапазона как приемлемую, если ее уровень не превышает 4 °С/час. В обычных случаях в зданиях с системой TABS величина температурного дрейфа составляет (0,5...1,0) °С/час.
TABS не влияет на влажностное состояние внутреннего воздуха, однако преимущество данных систем заключается в том, что в зданиях с TABS вентиляционная система рассчитывается для ассимиляции вредных условий (в том числе влажности, концентрации СО2 в воздухе, но не излишков тепла), а температурный режим помещений обеспечивается системой TABS, за счет чего требуемая производительность системы вентиляции может быть снижена. Поскольку необходимая температура воды, циркулирующей в системе TABS, в большинстве случаев не превышает +19 °C, в многих случаях для охлаждения помещений также можно использовать проветривание путем открывания окон и естественную вентиляцию, особенно в ночное время.
Чтобы избежать конденсации на поверхности или внутри конструкции необходимо контролировать температуру поверхности и содержание влаги в воздухе. Один из методов - это установить нижний предел температуры воды, подаваемой равной температуре точки росы. Производительность системы лучистого охлаждения также можно увеличить, если система вентиляции обеспечивает осушение воздуха.
Для обеспечения температурного режима здания целесообразно применять систему, которая одновременно может выполнять функции как отопления, так и кондиционирования. Поскольку при использовании такой системы снижаются капитальные затраты на устанавливаемое оборудование. Одной из таких систем являются термоактивные конструкции (рис. 1).
Рисунок 1. Общий вид термоактивных конструкций
В поперечном сечении термоактивная система утепления отопления изображена на рисунке 2.
Рисунок 2. Узел утепления стен
Данная система является оптимальным решением для реконструкции устаревших систем отопления, поскольку нет необходимости заменять старые системы на новые, это достаточно актуально для многоэтажек, которые были построены (40...50) лет назад. При этом решается фактически несколько важных вопросов, среди которых, увеличение сопротивления теплопередаче огораживающих конструкций. Как следствие - приведение зданий к существующим нормам энергоэффективности. Решается вопрос отопления и кондиционирования за счет того, что греющие контуры располагаются
X X
о
го А с.
X
го m
о
2 О
м о
о сч о сч
ю
о ш m
X
<
m О X X
извне. Фактически исключено образование конденстата на границе утеплитель - стенка. Это в свою очередь позволяет избежать образования грибков. Также гидрофильные свойства большинства минераловатных утеплителей можно не учитывать, поскольку, отопительные контуры системы в зимний период имеют температуру, что априори выше, чем температура снаружи. Этим самым разрешается избежать намокания утеплителя, что приводит к увеличению теплопроводности, то есть уменьшению суммарного сопротивления теплопередачи и увеличению теплопотерь.
На рисунке 3 изображена принципиальная схема работы системы с применением аккумуляции тепловой энергии. Роль аккумулятора в системе заключается в достижении возможности ночного потребления электроэнергии по сниженному тарифу, и дальнейшее применение в дневной период. Аккумулятор подбирается в зависимости от теплопотребления здания так, чтобы его объема хватило на покрытие расчетной нагрузки системы. Важным аспектом для такого схемного решения является тепловая инерция зданий, позволяющая достичь наработки системы около 10 часов в сутки.
Особенностью применения данных систем является обязательное устройство реверсивной циркуляции контуров. Поскольку, в случае отсутствия обязательно появляются зоны перегрева и недогрева системы, то есть образуется существенный градиент температур, которого нужно избегать. Другим методом решения этой проблемы является применение "улиточной" схемы укладки труб, но за счет этого существенно увеличивается длина трубопроводов, что также повышает стоимость системы. Поэтому на практике применяют тип укладки «змейка» и реверсивную циркуляцию теплоносителя.
ратуру подачи в систему отопления (к 25...28 °С) и относительно высокую температуру на испарителе теплового насоса (до 15 °С).
Преимуществом схемы, которая представлена на рис. 4 является то, что большинство тепловых насосов, при наличии у них четырехходового клапана, который выполняет функцию изменения направления прохождения обратного цикла Карно могут работать как на отопление, так и на охлаждение. При этом, если использован тепловой насос типа грунт-вода, есть возможность использования так называемого "пассивного" холода Земли. То есть есть возможность получать теплоноситель с температурой 10 °С в течение определенного периода года. Что является полностью достаточным для эффективной работы систем термоактивного утепления.
Рисунок 3. Теплогидравлическая схема работы системы термоактивного утепления
На рисунке 4 изображена принципиальная схема системы с применением в качестве источника телпа теплового насоса и солнечных коллекторов. В данной схеме реализована максимальная эффективность использования солнечной энергии. В летний период солнечные коллекторы обеспечивают горячее водоснабжение. В межсезонный период и зимой есть возможность аккумулировать тепло для низкотемпературной системы отопления. Также, когда температуры, которые могут быть получены от солнечного коллектора довольно низкие, более целесообразно использовать эту низкопотенциальную энергию для подогрева испарителя теплового насоса, при этом достигается увеличение СОР. При сочетании этого схемного решения с низкотемпературными системами термоактивных конструкций достигается наименьшее потребление электроэнергии тепловым насосом, поскольку имеем низкую темпе-
Рисунок 4. Теплогидравлическая схема системы теплоснабжения здания с применением альтернативных источников
Если же в качестве низкопотенциального источника теплоты использован воздух, и возможность использования «пассивного» холода отсутствует, все равно эффективность кондиционирования при помощи теплового насоса на высоком уровне за счет небольшого перепада между температурами в испарителе и конденсаторе теплового насоса. При этом EER (Energy Efficiency Ratio) достигает значений в 7...8 в отличие от применения с обычной системой кондиционирования, где этот показатель не превышает в среднем 3,5.
Схемное решение предусматривает отделение греющих контуров по различным фасадам зданий. Это позволяет изменять температурный напор в зависимости от ориентации по сторонам света, то есть увеличить тепловой поток с северной стороны, и уменьшить его со стороны солнечной инсоляции. При выборе метода укладки трубопроводов (рис. 5) отдают предпочтение схеме по Тихельману (с попутным движением теплоносителя), используя ее основное преимущество-одинаковый расход теплоносителя в каждом контуре системы за счет одинаковой длины контуров, как формирование покрывающего слоя - одинакового гидравлического сопротивления. Это позволяет избежать значительных градиентов температур, особенно когда применяется реверсивная схема циркуляции с определенным гистерезисом переключения, что для каждого здания определяется экспериментальным путем.
Использование данной системы позволяет достичь коэффициента теплоотдачи от внутренней поверхности огораживающих конструкций помещения достигает (5...9)
Вт/(м2°С), поэтому целесообразно применять систему в зданиях с процентом остекления, что меньше 50 %.
В контексте применения системы термоактивного утепление отопления встает вопрос быстрого нагрева помещения, поскольку предлагаемая система инерционная и резко увеличить температурный режим за короткие периоды времени нет возможности. Система автоматизации работает по алгоритмам понижение температуры в период отсутствия людей в здании. Для эффективного и быстрого догрева или доохолодження помещения до оптимальных температур целесообразно применить систему, схема которой изображена на рисунке 6.
Рисунок 5. Принципиальная схема подключения греющих контуров
На рисунке 3 и 4 изображены схемы с применение буферного аккумулятора теплоты. Его роль в общей системе термостабилизации - это минимизация времени работы теплового насоса в время «дорогой электроэнергии». То есть он подбирается таким образом, чтобы тепловая энергия аккумулировалась достаточной для работы системы в течение дня без включения источника теплоты (теплового насоса или электронагревателя).
Существует концепция отказа от такого рода мероприятий (по аккумуляции теплоты), основой для которой является существенная тепловая инерция системы термоактивного утепление отопление. При этом тепловым аккумулятором являются сами ограждающие конструкции здания. Но поскольку оценка теплового состояния и степени инерционности такого рода решения является сложной задачей нестационарного теплообмена, она в данной работе не рассматривалась.
Для покрытия тепловых нагрузок в зданиях с высоким процентом остекления целесообразно применять воздушную систему отопления. Она эффективно сочетается с использованием инерционных систем, ведь дает смогу быстро обогреть помещение. То есть в качестве догрева в основной системе применяются воздушные солнечные коллекторы для подогрева воздуха. Поскольку солнечных дней в отопительный сезон не так много, целесообразно применить тепловой аккумулятор с фазовым переходом для возможности аккумулирования избыточного тепла от Солнца и регулирования работы системы нагрева воздуха на ночной период времени, что позволяет уменьшить потребление электроэнергии. При использовании теплового насоса типа воздух-воздух, можно дополнительно уменьшить электропотребление в 3 раза.
Рисунок 6. Теплоаэродинамическая схема работы системы воздушного отопления-охлаждения
Схему работы системы воздушного охлаждения-отопления с использованием аккумулятора тепла. В качестве теплоаккумулирующего вещества используются преимущественно органические вещества с относительно низкой температурой фазового перехода (гидра-тированные соли, парафины, жирные кислоты), которые находятся в капсулах с металлической оболочкой. Объем теплоаккумулирующего вещества зависит от тепловой нагрузки здания. Аккумулятор обычно устраивают в центральной части здания, равномерно распределяются капсулы по высоте и ширине здания, это позволяет путем установки вентиляторов на каждом из этажей регулировать температуру в помещениях. Теплопо-ступления в аккумулятор осуществляются в ночной период времени от теплового насоса типа воздух-воздух. Дополнительно устанавливаются воздушные солнечные коллекторы, что в солнечные дни подогревают теп-лоаккумулятор. При этом стоимость воздушного коллектора значительно ниже чем обычного.
Заключение
Проблемой реальной термомодернизации на сегодняшний день является отсутствие или нерабочее состояние системы вентиляции с механическим побуждением общественных зданий. Применение исключительно естественной вентиляции не является достаточным для большинства случаев, из-за присутствия человеческого фактора влияния и физическое отсутствие возможности обеспечения достаточной кратности циркуляции. Данная система позволяет совместить отопление и вентиляцию в одну систему, что также является экономией в контексте капитальных затрат. Если же установить рекуператор воздуха можно достичь еще большей эффективности для данной схемы.
Нами была описана система термоактивного утепления, проанализированы схемы систем телпоснабжения и предложено несколько вариантов схемных решений для обеспечения поставленной задачи. Была рассмотрена как простейшая схема системы теплообеспечения так и более совершенная, что позволяет значительно сэкономить на термостабилизации зданий. Показана
X X
о
го А с.
X
го т
о
2 О
м о
о
CS
о
CS
in
также принципиальная схема распределения нагревательных контуров по фасаду здания. Представлена также схема которая позволяет быстро и эффективно обеспечить дополнительный обогрев помещения, или может быть использована в дополнение к существующей системе термостабилизации.
Quality assurance in the design of heating systems in green
construction Vinogradova N.A., Plekhanova S.V.
Moscow State University of Civil Engineering, Russian State
University A.N. Kosygina The article deals with the issue of thermal stabilization of buildings. A mathematical model for the room is formed. The applied systems of thermoactive structures are described, their weak and strong sides are defined. Other methods of "passive" cooling systems are considered, it is determined that the main air conditioning systems are not fully used is technically and economically feasible, however, as complementary systems for the offseason it is necessary to take into account. A heat supply system using a heat pump and a low-potential source (sewage) is described. This system allows you to achieve greater efficiency in the use of the evaporation and condensation cycle, by working with a smaller temperature difference between the supply line of the heat pump and the temperature of the low-potential source. It is shown that the main attention should be paid to the development of alternative heating systems and the use of renewable energy sources. However, a significant part of the equipment used can not always be considered as a component of the overall strategy for the formation of an ecological building. The use of forms of heating based on low-potential sources will improve the environmental characteristics of residential and industrial buildings. Keywords: Green construction, quality mechanism, technological
supervision, work procedure, development. References
1. Trabucco, D. (2019). Robotics in construction: The next 50 years. In 50 Forward 50 Back: The Recent History and Essential Future of Sustainable Cities - Proceedings of the CTBUH 10th World Congress (pp. 269-274).
2. Liao, C., Tan, D., & Li, Y. (2012). Research on the application of BIM in the operation stage of green building. Applied Mechanics and Materials, 174-177, 2111-2114. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMM.174-177.2111
3. Huang, C.-F., Chen, J.-L., & Hsueh, S.-L. (2013). Applying technology acceptance model to discover the factors influencing the promotion of green construction materials: A case of dry-mix mortar. Actual Problems of Economics, 2(3), 29-37.
4. Mydin, M. A. O., Phius, A. F., Sani, N. M., & Tawil, N. M. (2014). Potential of Green Construction in Malaysia: Industrialised Building System (IBS) vs Traditional Construction Method. In E3S Web of Conferences (Vol. 3). https://doi.org/10.1051/e3sconf/20140301009
5. Rosenbaum, S., Toledo, M., & González, V. (2014). Improving environmental and production performance in construction projects using value-stream mapping: Case study. Journal of Construction Engineering and Management, 140(2). https://doi.org/10.1061/(ASCE)CO.1943-7862.0000793
6. Beecham, S., & Razzaghmanesh, M. (2015). Water quality and quantity investigation of green roofs in a dry climate. Water Research, 70, 370-384. https://doi.org/10.1016/j.watres.2014.12.015
7. Hu, Z. (2015). Study on construction technology of green rubber concrete. In Future Communication, Information and Computer Science - Proceedings of the International Conference on Future Communication, Information and Computer Science, FCICS 2014 (pp. 389-391).
8. Mkrtchyan, T., & Lokhova, E. (2017). Ecological effectiveness as an essential quality requirement of innovational construction. In MATEC Web of Conferences (Vol. 106). https://doi.org/10.1051/matecconf/201710607022
9. Belitskaya, M. (2019). Dendrophages Ulmus spp. in the forest plantation of the Volga region. World Ecology Journal, 9(1), 2439. https://doi.org/httpsV/doi.org/10.25726/NM.2019.77.24.002
10. Kruzhilin, S. N., & Mishenina, M. P. (2019). Substantiation of rejuvenating tree pruning of representatives of the genus Populus l. In the urban city aglomerations. World Ecology Journal, 9(2), 1-20. https://doi.org/10.25726/worldjournals.pro/WEJ.2019.2.1
11. Tereshkin, A. V., Kalmykova, A. L., & Andrushko, T. A. (2019). Relevance of enrichment of landscaping plantings with lianas in the conditions of urban ecosystems of the Saratov region. World Ecology Journal, 9(2), 21-38. https://doi.org/10.25726/worldjournals.pro/WEJ.2019.2.2
12. Domingues, R. B., Barbosa, A. B., Sommer, U., & Galvao, H. M. (2012). Phytoplankton composition, growth and production in the Guadiana estuary (SW Iberia): Unraveling changes induced after dam construction. Science of the Total Environment, 416, 300-313. https://doi.org/10.1016/jsci-totenv.2011.11.043
13. Hussain, K., He, Z., Ahmad, N., Iqbal, M., & Taskheer mumtaz, S. M. (2019). Green, lean, Six Sigma barriers at a glance: A case from the construction sector of Pakistan. Building and Environment, 161. https://doi.org/10.1016/j.buildenv.2019.106225
14. Lam, P. T. I., Chan, E. H. W., Poon, C. S., Chau, C. K., & Chun, K. P. (2010). Factors affecting the implementation of green specifications in construction. Journal of Environmental Management, 91(3), 654-661. https://doi.org/10.1016/jjen-vman.2009.09.029
15. Oburger, E., Jäger, A., Pasch, A., Dellantonio, A., Stampfer, K., & Wenzel, W. W. (2016). Environmental impact assessment of wood ash utilization in forest road construction and maintenance - A field study. Science of the Total Environment, 544, 711-721. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2015.11.123
О Ш
m x
<
m о x
X
