CC BY
40
СТРОИТЕЛЬСТВО: Теплоснабжение, вентиляция
D0l.org/10.5281/zenodo.1119157 УДК 697.972
В.П. Черненков, Д.А. Макаров, И.Д. Лихачев, М.С. Барышев
ЧЕРНЕНКОВ ВЛАДИМИР ПЕТРОВИЧ - к.т.н., профессор кафедры, e-mail: cvp_dv@mail.ru МАКАРОВ ДМИТРИЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ - старший преподаватель кафедры, e-mail: Makarov.da@dvfu.ru
ЛИХАЧЕВ ИЛЬЯ ДМИТРИЕВИЧ - ассистент кафедры, e-mail: Likhachev.id@dvfu.ru БАРЫШЕВ МИХАИЛ СЕРГЕЕВИЧ - лаборант кафедры, e-mail: baryshev_ms@mail.ru Кафедра инженерных систем зданий и сооружений Инженерной школы Дальневосточный федеральный университет Суханова ул. 8, Владивосток, 690091
Способ повышения энергетической эффективности систем отопления высотных зданий
Аннотация: Рассмотрена возможность повышения энергетической эффективности систем отопления высотных зданий. Приведены основные способы функционирования систем отопления высотных зданий и традиционные инженерные решения, направленные на устранение повышенного давления в отопительных приборах. Показаны основные недостатки существующих решений. Предложен способ функционирования систем отопления высотных зданий и устройство, его осуществляющее. Оценен экономический эффект от внедрения энергосберегающей технологии. Ключевые слова: система отопления, рекуперация, энергоэффективность, лопастные механизмы, избыточный напор, энергосбережение, высотное здание.
Введение
Проблема целесообразности строительства высотных зданий постоянно обсуждается в острых дискуссиях между архитекторами, инженерами и специалистами по безопасности.
Сегодня необходимо признать, что неконтролируемое расползание городов негативно сказывается на благосостоянии общества. Рост городов «по горизонтали» способствует увеличению затрат на их энергообеспечение, а также увеличению расстояния, которое приходится преодолевать по пути на работу и домой. Например, с 1990 по 2000 г. среднее расстояние, проезжаемое за один день жителем Великобритании, увеличилось с 2,4 до 40 км [8].
Уже сейчас можно с большой точностью утверждать, что средняя этажность вновь возводимых зданий будет увеличиваться с каждым годом. С ростом высоты зданий усложняются их конструктивные, архитектурные и планировочные решения, в том числе и по системам отопления [7].
Цель данной работы - представить авторскую концепцию одного из способов оптимизации работы систем отопления высотных зданий, дать предварительную оценку экономического и энергетического потенциала предлагаемого варианта.
Описание проблемы
В случае если здание подключается к централизованному источнику тепловой энергии, конструктивные решения систем отопления принципиально отличаются от систем для малоэтажных зданий. Причина - допустимые параметры гидростатического давления у абонентов [6].
© Черненков В.П., Макаров Д.А., Лихачев И.Д., Барышев М.С., 2017 О статье: поступила: 10.05.2017; финансирование: бюджет ДВФУ.
Приборы, расположенные на нижних этажах здания, находятся под значительно более высоким давлением, чем приборы, расположенные выше (см. рис. 1). Чем выше здание, тем больше вероятность, что гидростатическое давление, которое создается разностью отметок, превысит максимально допустимое значение для приборов отопления: согласно действующим нормативным документам [6] и общепринятой практике проектирования в России, допустимое значение давления принимается для самого неблагоприятного варианта и составляет 6 bar.
Рис 1. Схема системы отопления здания. Здесь и далее рисунки М.С. Барышева.
Рис. 2. Зональная система отопления здания.
На данный момент существует несколько способов централизованного теплоснабжения высотных сооружений:
1) зонирование системы отопления по вертикали, где высота зоны определяется значением допустимого гидростатического давления для отопительных приборов и арматуры, расположенных на нижних отметках;
2) установка регуляторов давления перед приборами;
ВЕСТНИК ИНЖЕНЕРНОЙ ШКОЛЫ ДВФУ. 2017. № 4(33)
3) установка приборов и арматуры, выдерживающих более высокое давление.
Каждый из приведенных способов имеет свои преимущества и недостатки [1, 4, 7]. Самым распространенным на сегодняшний день в России является способ, при котором осуществляется зонирование систем отопления по вертикали (см. рис. 2).
Рисунок 2 иллюстритует, что при такой схеме подключения приборов обеспечиваются одинаковые параметры гидростатического давления для всех зон, но при этом увеличивается металлоемкость и сложность системы. Кроме того, при некоторых условиях появляется необходимость устройства технических этажей на каждом уровне, соответственно тому, как осуществляется зонирование.
Альтернативный способ обеспечения допустимого статического давления
теплоносителя в системах отопления высотных зданий
Мы рассмотрим один из альтернативных методов обеспечения допустимого статического давления теплоносителя в системе отопления - метод зонирования. Его суть состоит в том, что во всей системе изначально создается избыточное давление, необходимое для приборов, расположенных на верхнем этаже, а расположенные ниже приборы защищаются за счет дросселирования избыточного давления с помощью регулирующих устройств. Альтернативой данному способу являются системы отопления с применением устройств, позволяющих осуществлять рекуперацию избыточного напора [6, 9]. Схема системы отопления приведена на рис. 3.
Новый способ использования избыточного напора в системах отопления высотных зданий заключается в следующем: гидравлическая турбина (поз. 1 на рис. 3), которая устанавливается на обратном трубопроводе системы, соединена валом с рабочим колесом насоса (нагнетателя) (поз. 2 на рис. 3). Повысительным насосом (поз. 3 на рис. 3) теплоноситель подается в отопительные приборы, расположенные выше. Далее теплоноситель с избыточным напором проходит через турбину (поз. 1 на рис. 3). Кинетическая энергия потока преобразуется во вращательную работу вала. Затем вращательный момент передается рабочему колесу нагнетателя (поз. 2 на рис. 3).
Проходя через лопасти турбины, избыточный напор потока теплоносителя срабатывается. Тем самым обеспечиваются допустимые параметры теплоносителя, обеспечивающие нормальную работу отопительных приборов, расположенных на нижних отметках, исключая попадание их в зону повышенного давления. Данный эффект наглядно продемонстрирован на пьезометрическом графике (рис. 4).
Рис. 3. Альтернативный способ обеспечения необходимых параметров теплоносителя.
Работу системы в гидростатическом режиме обеспечивает насос (поз. 4 на рис. 3), который устанавливается на обводном трубопроводе. Поток теплоносителя, транспортируемый насосом (поз. 4 на рис. 3), приводит в действие рабочее колесо турбины. Крутящий момент от вала, с которым соединена турбина, передается нагнетателю (поз. 2), тем самым устанавливается требуемое статическое давление в системе отопления.
+120.000
Н.м
35 30
10
10
05
05
Рис. 4. Пьезометрический график системы отопления.
Экономический эффект
Способ, рассматриваемый в данной работе, является альтернативным по отношению к способу зонирования, он представляет собой простое мероприятие по энергосбережению [2].
Сравним стоимость общепринятой схемы теплоснабжения высотного здания с делением ее на зоны и схему с применением устройства, позволяющего осуществлять рекуперацию избыточного напора.
Пусть имеется система отопления 27-этажного здания, высота стояка которого составляет 80 м, диаметр - 25 мм, расход теплоносителя - 2,6 м /ч.
Для оценки капиталовложений по реализации проекта системы отопления можно воспользоваться приблизительными ценовыми характеристиками основного оборудования, к ним относятся:
- металлоемкость;
- стоимость насосного оборудования;
- другое оборудование и арматура.
Стоимость зональной системы отопления зависит от материалов.
Стоимость водогазопроводных труб по ГОСТ 3262-75 [3] составляет 830 руб. за 1 м. Издержки на закупку 240 м трубопроводов составят 199 200 руб.
Насосное оборудование.
Повысительный насос фирмы Wilo IPh-W 32/170-2,2/2, обеспечивающий напор 40 м, стоимостью 189 180 руб.
Стоимость регулятора давления «после себя» фирмы Danfoss, серии AVDS составляет
Собщ = 199 200 + 189 180 + 47 420 = 435 800 руб., где:
Собщ - общая стоимость;
Стр - стоимость труб;
Сн - стоимость насосного оборудования;
Срег - стоимость регулятора давления.
Стоимость системы с использованием устройства рекуперации, предлагаемая в данной работе, составит:
Металлоемкость:
- стоимость газоводопроводных труб по ГОСТ 3262-75 [3] составляет 830 руб. за 1 м, для реализации проекта необходимо 160 м:
47 420 руб.
Приблизительная общая стоимость системы составляет:
Собщ Стр + Сн + Срег, руб.
(1)
Стр = 160 • 830 = 132 800 руб. Насосное оборудование:
- повысительный насос фирмы Wilo Stratos 25/1-10 PN10, обеспечивающий напор 10 м, имеет стоимость 79 020 руб.
Ориентировочная стоимость устройства с учетом его уникальности составит примерно 80 000 руб.
Приблизительная общая стоимость системы составляет:
Собщ Стр + Сн + Сустр, руб. (2)
Собщ = 132 800 + 79 020 + 80 000 = 291 820 руб.
Расчет проведен без учета стоимости промежуточного технического этажа, дополнительных опор и оборудования.
По результатам экономического расчета реализация проекта системы с рекуперацией позволит снизить затраты в сравнении с зональной системой отопления на 67%.
Для оценки экономической эффективности внедрения предлагаемого способа сравним затраты на электроэнергию по двухставочному тарифу.
Стоимость электрической энергии для юридических лиц в г. Владивостоке по состоянию на июль 2017 г. составляет ^=3,94 руб. (днем) и Kн=1,43 руб. (ночью) по двухставочному тарифу. Количество суток отопительного периода в г. Владивостоке z = 198 сут. Затраты на потребление электроэнергии в традиционной системе отопления: Повысительный насос фирмы Wilo IPh-W 32/170-2,2/2 имеет мощность 2,2 кВт, что составляет 0,0022 МДж (1 кВтч = 3,6 МДж).
Стоимость энергии, потребляемой в ночном режиме: „ N ■ 3600 • 8 • Кн
эн =-3-6—-, (3)
0,0022 ■ 3600 ■ 8 ■ 1,43 _ ^
Э =-= 25,2 руб.
н 3,6
Стоимость энергии, потребляемой в дневном режиме:
N■3600-16■К
3,6
0,0022 ■ 3600 46 ■ 3,94 ^
Э„ = —--— = 138,7 руб.
Д 3,6
Суммарная стоимость потребляемой электроэнергии в сутки:
Э = Эд + Эн = 25,2 + 138,7 = 163,9 руб./сут.
Стоимость электроэнергии, потребляемой за весь отопительный период: ^об„г Э"2 = 163,9 ■ 198 = 32452,2руб.
Затраты на потребление электроэнергии в усовершенствованной системе отопления: Повысительный насос фирмы Wilo Stratos 25/1-10 PN10 имеет мощность 0,19 кВт, что составляет 0,00019 МДж.
Стоимость энергии, потребляемой в ночном режиме (3):
_ 0,00019 ■ 3600 ■ 8 ■ 1,43 „„ .
Эн = 0-—-— = 2,2РУб.
3,6
Стоимость энергии, потребляемой в дневном режиме (4):
0,00019 ■ 3600 46 ■ 3,94 ^
Э =-—-= 12,0РУб
3,6
Суммарная стоимость потребляемой электроэнергии в сутки: Э = Эд + Эн = 2,2 + 12,0 = 14,2 руб./сут.
Эд =-—-Д (4)
Стоимость электроэнергии, потребляемой за весь отопительный период: Эоб,= Э ■ z = 14,2 -198 = 2811,6руб.
Экономическая целесообразность применения данного способа очевидна. Заключение
В результате проведенных исследований была разработана принципиальная схема устройства, позволяющего осуществлять рекуперацию избыточного давления в системах отопления высотных зданий. Выявлены следующие преимущества применения нового способа по сравнению с традиционными решениями:
- обеспечивается существенное уменьшение металлоемкости;
- сокращаются затраты на устанавливаемое оборудование и арматуру;
- появляется возможность установки менее мощных повысительных насосов, в которых стоимость напрямую зависит от их мощности;
- обеспечивается экономия потребления электроэнергии системой;
- отпадает необходимость устройства дополнительного технического этажа.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Бородач М.М. Инженерное оборудование высотных зданий. М.: АВОК-пресс, 2007. 320 с.
2. ГОСТ Р 51541-99. Энергетическая эффективность. Состав показателей. Общие положения.
3. ГОСТ 3262-75. Трубы стальные водогазопроводные.
4. Колубков А.Н. Опыт проектирования и эксплуатации инженерных систем новых высотных жилых комплексов Москвы. ABOK. 2005. № 2. URL: https://www.abok.ru/for_spec/articles.php?nid=2778 (дата обращения: 20.10.2017).
5. Макаров Д.А., Лихачев И.Д., Черненков В.П., Еськин А.А., Ревенко Д.О. Пат. РФ 2577714 Способ работы системы теплоснабжения. Заявка № 2014150038 от 10.12.2014.
6. СП 60.13330.2012. Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха.
7. Щукина Н.М. Современное высотное строительство: моногр. М.: ИТЦ Москомархитектуры, 2007. 440 с.
8. Donald E. Ross, Atlanta, HVAC Design Guide for Tall Commercial Buildings, 2004.
9. Makarov D.A., Chernenkov V.P., Likhachev I.D. Optimozation of pump-throttling substation of heating networks. Applied Mechanics and Materials. 2015(792):375-378. doi:10.4028/www.scientific.-net/AMM.792.375
THIS ARTICLE IN ENGLISH SEE NEXT PAGE
CONSTRUCTION: Heat Supply and Ventilation
D0l.org/10.5281/zenodo.1119157
Chernenkov V., Makarov D., Likhachev I., Baryshev M.
VLADIMIR CHERNENKOV, Candidate of Engineering Sciences, Professor, e-mail: cvp dv@mail.ru
MAKAROV DMITRIY, Senior Lecturer, e-mail: Makarov.da@dvfu.ru ILIA LIKHACHEV, Department Assistant, e-mail: Likhachev.id@dvfu.ru MIKHAIL BARYSHEV, Laboratory Assistant, e-mail: baryshev ms@mail.ru Department of Construction Engineering Systems, School of Engineering Far Eastern Federal University 8 Sukhanova, Vladivostok, Russia, 690091
A means of improving the energy efficiency of heating systems for high-risebuildings
Abstract: The article deals with the potential to improve the energy efficiency of heating systems for high-rise buildings. It presents the principal ways of their operation and the traditional engineering solutions aimed to eliminate high pressure in heating devices. Main shortcomings of the existing solutions have been demonstrated in it. Suggested is a way to improve the operation of heating systems in high-rise buildings and a device ensuring the improvement. The economic benefit of energy-saving technologies has been estimated.
Key words: recuperation of head, energy savings, energy efficiency, impellers blade mechanism, excessive pressure, heating system, high-rise building.
REFERENCES
1. Borodach M. M. Inzhenernoe oborudovanie high-rise buildings. AVOK-press, 2007, 320 p.
2. GOST R 51541-99. Energy efficiency. The composition of indicators. General provisions.
3. GOST 3262-75. Water-supply and gas-supply steel pipes.
4. Kolubkov A. N. Experience in the design and operation of engineering systems new high-rise residential complexes of Moscow. ABOK. 2005;2. URL: https://www.abok.ru/for_spec/articles.php?nid=2778 -21.10.2017.
5. Makarov D.A., Likhachev, D.I., Chernenkov V.P., Eskin, A.A., Revenko D O. RF Patent 2577714 the Method of operation of the heating system. Application N 2014150038 from 10.12.2014.
6. SP of Rules 60.13330.2012. Heating, ventilation and air conditioning.
7. Shchukina N.M. Modern high-rise construction, monograph. M., Moscomarchitecture, 2007. 440 p.
8. Donald E. Ross, Atlanta, HVAC Design Guide for Tall Commercial Buildings, 2004.
9. Makarov D.A., Chernenkov V.P., Likhachev I.D. Optimozation of pump-throttling substation of heating networks. Applied Mechanics and Materials. 2015(792):375-378. doi:10.4028/www.scientific.net/AMM.792.375
