CC BY
25
строительная теплофизика и энергосбережение
Время использования лучистых доводчиков для обогрева жилья
Н.Г. Волкова
Жилищное строительство нуждается в модернизации, в том числе и систем обеспечения теплового комфорта зданий. Это связано с неуклонным повышением стоимости топливно-энергетических ресурсов и возрастанием требований к экологии окружающей среды. Состояние жилищно-коммунальной инфраструктуры: в отдельных городах, особенно малых и средних свидетельствует о реальности «инфраструктурного кризиса», следствием которого могут быть необратимые процессы и разрушение объектов ЖКХ, так как изношенность коммуникаций, в том числе и тепловых сетей в ряде случаев доходит до 70 %.
Вмешательство в структуру здания является не только оправданным, но и необходимым по прогнозам, новые сооружения в ближайшие годы составят 2—3 %. Вследствие этого ощутимые результаты в строительстве в короткие и средние сроки можно получить модификацией уже существующих зданий. При выборе новых конструктивных решений момент случайности должен быть исключен. Ясное понимание задач, решаемых при проектировании и реконструкции зданий, позволяет значительно сократить материалоемкость дополнительно устанавливаемых устройств, при более высоком функциональном эффекте их использования. В связи с этим особое значение приобретает выработка комплексного подхода к широкому внедрению в практику строительства новых обогревающих систем.
Усилия специалистов при реформировании ЖКХ направлены на создание технических систем, включающих в себя весь комплекс элементов измерения, регистрации, регулирования, индикации, монтажных и профилактических мероприятий, обеспечивающих их технологическое единство. В комплексе этих задач особого внимания заслуживает использование комбинированных систем отопления [1—5].
Реконструкция зданий, являясь комплексной проблемой, включающей ряд гигиенических, административных и правовых задач, позволяет обеспечить человека тепловыми комфортными условиями в зоне его нахождения В ЖКХ наметился комплексный подход к зданию. как единой энергоаэродинамической системе, существующей совокупно с инженерными системами обеспечения микроклимата помещений (ИСО), пронизывающими внутрен-
нюю планировочную структуру строения. Тепловой режим зданий в зимний период зависит от инерционности строительных ограждающих конструкций и работы инженерных систем. Опыт эксплуатации показывает, что температура внутреннего воздуха в помещениях, зачастую, не соответствует наружным климатическим условиям, несмотря на регулирование температуры подающей воды в системе теплоснабжения.
При потеплении жильцы часто открывают форточки и балконные двери, обеспечивая себе тепловой комфорт, что может приводить к значительному перерасходу энергии. Случаи перегрева помещений, наблюдающиеся в зимний период, свидетельствуют о необходимости более эффективного регулирования отопительных систем. Преимущество в России, по-прежнему, остается за водяным отоплением. Действующие в настоящее время системы металлоемки, нуждаются в высокотемпературных теплоносителях и обладают высокой инерционностью. Они не всегда могут обеспечить требуемые температурные условия в зоне пребывания человека, что приводит к возникновению дискомфортных зон в помещениях. Это в большей степени относится к помещениям верхнего и первого этажей (больше наружных ограждений).
Население России проживает в самой холодной стране со среднегодовой температурой воздуха — 5 оС. В силу этого обогрев зданий является весьма сложной задачей. На примере г. Коломна Московской области можно судить о специфике климатических условий, которые необходимо учитывать при формировании теплового комфорта помещений. Данные по температурам ноября, который является переходным к зимним месяцам, представлены в табл. 1 [6]. Уже в этом месяце наблюдается 17 морозных дней. При расчете энергетической мощности системы отопления и продолжительности отопительного периода исходят из средней месячной температуры воздуха, ход которой показан на рис. 1. Отопление помещений, как правило, начинается в октябре и заканчивается в марте, что требует иного подхода к системам ИСО, нежели в более теплых странах. Наблюдения за ходом средних зимних температур показывают, что, несмотря на тенденцию потепления климата, годовые коле-
строительная теплофизика и энергосбережение
25
20
15
110 tt
«о с Q. 5
I-
0 -5 -10
15 |1 17 *
ч \ J 1 / / 3
\ /
\ 5 2 i '6 А
\ V / /
\ 2, 5 / /. 2 4
-с ¡4 -7 ,3 / 7, 5
023456789 10 11 12 _месяцы_
ряд 1
ряд 2
*— го 1Л к OS го m к Os ГО
оо 00 00 00 00 OS OS Os Os Os О О
о (N ■ч- so со о гм ■Ч so CO о fN
00 00 00 00 00 Os Os о. Os Os о О
о Os о OS OS Os Os Os Os о О
<N ГЧ
Рисунок 1. График годового хода средней месячной температуры воздуха г.Коломна.
бания температур весьма значительны (рис. 2), поэтому необходимо сохранять расчетные нагрузки на системы теплоснабжения. Климатические особенности регионов следует учитывать их при принятии проектных и инженерных решений.
Автором были проведены исследования по улучшению тепловых условий в помещениях посредством применения дополнительных догревающих устройств [2, 7, 8]. Для наблюдений были использованы электрические нагревательные элементы панельного типа — электропанели. Испытания проводили, как в лабораторных, так и натурных условиях.
Эксперимент на физической модели дал возможность оценить тепловой режим помещения с дополнительным размещением электропанелей. В отличие от натурных условий, внимание было сконцентрировано на основных факторах, исключалось влияние наружных метеорологических воздействий, конструктивных характеристик помещения и вентиляционных систем. В эксперименте использовалась методика приближенного моделирования Листова А.М., к рассмотрению были приняты два варианта обогрева помещений: I) конвектор располагался в обслуживаемой зоне; II) в верхней зоне были дополнительно установлены электропанели, с уменьшением нагрузки на конвектор. Наблюдения показали, что
Рисунок 2. Ход средних зимних температур г.Коломна.
обогрев помещения отопительными приборами с преимущественной теплоотдачей конвекцией не обеспечивает нормируемого температурного перепада на поверхности пола первого этажа.
При дальнейших исследованиях подтвердилась целесообразность применения электропанелей, располагаемых в верхней зоне вертикальных ограждающих конструкций. Это позволило улучшить параметры теплового режима помещений. Дополнительный фризовый обогрев в помещении повышает температуру поверхности пола и обеспечивает выравнивание температуры внутреннего воздуха. Однако возрастание температуры внутренней поверхности ограждающих конструкций приводит к некоторому увеличению теплопотерь помещением, на 2—3 %. В то же время высокая температура ограждений позволяет снизить температуру внутреннего воздуха при соблюдении комфортных условий в помещении. В итоге расходы тепла на отопление помещений даже несколько сокращаются (по второму варианту до 4 %).
В натурных условиях в помещении мобильного дома, было рассмотрено большее количество вариантов компоновки и размещения отопительных приборов. Результаты наблюдений теплового режима инвентарного здания с различным размещением приборов, как лучистого, так и конвективного типа показали необходимость дополнительного обогрева пола и подтвердили целесообразность применения приборов с преимущественной лучистой теплоотдачей для повышения комфортности помещения.
сред. средняя абс. макс. дата абс. мин. дата число дней
без оттепели с морозом
макс. мин.
0,2 2,4 -1,8 8,2 5 -9,3 15 5 17
Таблица 1. Температура воздуха, ноябрь 1990 г. , г. Коломна.
398 3 2010
строительная теплофизика и энергосбережение
Эксперименты носили частный характер, для наблюдений были приняты низкотемпературные нагревательные элементы, особенностью которых являлись большие нагревательные поверхности. Панели в ряде случаев было сложно размещать в помещении, так как они занимали большие площади.
В рамках НИР под руководством Богословского В.Н. в НИИСФ РААСН была проведена работа по рассмотрению альтернативных решений ИСО обеспечения микроклимата современного экологически чистого экономичного здания с использованием энергии (ЗЭИЭ), в которой отмечалась целесообразность использования комбинированных обогревающих систем [3]. Для рационального обогрева помещений предлагалось использование аккумуляционной — фоновой и малоинерционных — пиковых систем. Теплоаккумуляционные системы могли быть представлены массивными отопительными приборами и фрагментами, совмещенными с конструкциями здания. Системы водяного отопления могут быть фоновыми. Вследствие того, что эффективная работа инерционных приборов в режиме автоматического регулирования затруднена.
В то же время приходится констатировать, что большинство домов новой застройки оборудовано приборами конвективного типа, приводящими к перегреву верхней зоны помещения. Теплопередача конвективных приборов находится в степенной зависимости от температуры теплоносителя, с понижением температуры наружного воздуха повышается температура теплоносителя, в соответствии с графиком температурного регулирования, и это приводит к возрастанию теплоотдачи приборов, перегреву верхней зоны помещения, увеличению тепловых потерь помещения и в итоге к перерасходу тепловой энергии.
Использование нерегулируемых фоновых систем, рассчитанных на поддержание минимальной температуры в помещении, позволяет скрывать инженерные коммуникации. Это весьма удобно, так как урбанизация приводит к повышению требований к интерьеру помещений. Такая система может работать на обеспечение минимальной температуры воздуха в помещении. Фоновая или основная система водяного отопления может быть нерегули-руема и в этом случае, при правильном проектировании, легче обеспечить ее тепловую и гидравлическую устойчивость в эксплуатационных условиях. Также наблюдается значительная экономия средств на запорно-регулировочной арматуре.
Для догрева помещений до требуемых температурных условий, в соответствии с требованиями жильцов, можно применять в качестве пиковых доводчиков — малоинерционные приборы. Пред-
почтение следует отдавать лучистому способу обогрева помещений, когда до 70 % тепла передается в помещение излучением [9]. Излучение имеет природу двойственного характера, так как обладает свойствами непрерывности поля электромагнитных волн и дискретности, типичной для фотонов. Синтезом обоих свойств является представление, согласно которому энергия и импульсы сосредоточиваются в фотонах, а вероятность их нахождения в том или ином месте пространства в волнах. Соответственно этому 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, т.е. состоящее из волн одинаковой длины. В строительной практике поверхности в помещении относят к серым телам,
Преимуществом лучистого обогрева является более комфортный тепловой режим в помещении, высокая радиационная и более низкая температура воздуха, что сохраняет комфортную влажность и малую подвижность воздуха, уменьшение количества пыли, так как при малых скоростях перенос пыли практически не происходит, что благотворно сказывается на дыхательных функциях организма.
К «лучистым» нагревательным приборам, с преобладающей теплоотдачей излучением, с гладкой поверхностью» и — незначительной металлоемкостью относятся электропанели, их появление на рынке строительных материалов обусловлено высоким уровнем конверсионной технологии производства, обратившейся к производству бытовых изделий. Приборы малоинерционны, соответствуют интерьеру, цветовой гамме и архитектурному образу помещения. Вследствие легкой очистки они гигиеничны и удобны в эксплуатации. Электропанелям свойственны следующие конструктивные особенности, небольшой вес конструкции, малая материалоемкость, прочность внутренней структуры, унификация элементов, возможность быстрой установки и демонтажа, при изменении архитектурно-планировочных решений. Их корпус может быть изготовлен из алюминия и тонколистовой стали путем штамповки.
Особенностью панельного отопления являются более высокие теплотехнические показатели. При использовании систем лучистого отопления, температурное поле в объеме помещения близко к равномерному, в отличие от обычных водяных систем, возможно использование теплоносителя с относительно низкой температурой; доводчики лучистого типа удобно совмещать с общей системой отопления. В связи с изменением ситуации в энергопот-
строительная теплофизика и энергосбережение
реблении, возникшей вследствие значительного сокращения промышленного производства, часть электроэнергии оказалась невостребованной, что увеличило возможность ее использования для целей обогрева зданий.
Конструктивные решения обогревающих устройств разрабатывались применительно к различным условиям эксплуатации. Приборам предъявлялись теплотехнические, экономические и дизайнерские требования. Они должны были работать с оптимальным расходом электроэнергии, а также минимальным расходом материалов на элементы прибора; строительные — учитывали эстетику внешнего вида и сокращение площади, занимаемой в помещении; производственно — монтажные: изделия должны благоприятствовать массовому производству, быть удобными в установке и иметь минимальное число соединений, приходящихся на единицу площади поверхности.
Испытания панелей проводили также в эксплуатационных условиях [10]. На рис. 3 показано изменение температуры на поверхности электропанелей, установленных в ремонтно-смотровой канаве (депо Москва—3), работающих в режиме нагрева, охлаждения (в период продвижения) и последующего нагрева. Из графика следует целесообразность использования передвижных панелей, так как, в период продвижения панели не успевают охладиться полностью, что сокращает непроизводительные тепловые потери.
время, г
-ф— ряд 1 —■— ряд 2
Рисунок 3. Ход температур на поверхности передвижных панелей.
Опыт использования современных электропанелей, в том числе и для дополнительного обогрева, дал положительные результаты и показал целесообразность их внедрения. Однако для оценки электрических доводчиков с целью их применения в жилищном строительстве необходимо совместное осуществление натурных наблюдений с гигиенистами. Их привлечение может быть оправдано и тем, что люди, находящиеся в помещении, зачастую, различно оценивают микроклимат. Заключение специалистов позволит рассчитывать на объективность оценки тепловых условий в помещении, что особенно важно в случае постоянно действующего прибора.
Применение комбинированных отопительных систем с электрическими доводчиками соответствует:
— перспективному совершенствованию ИСО, подчиняющемуся тенденциям требований современного развития;
— обеспечению максимально-возможной экономии топливно-энергетических и водных ресурсов, потребляемых при круглогодичном функционировании зданий;
— сокращению загрязнений от постоянно действующих систем и уменьшает отрицательное влияние их на окружающую среду. Настоящий подход может привести к пересмотру существующих позиций в части формирования теплового режима, как реконструируемых, так и современных зданий [11,12].
Массовому внедрению комбинированных отопительных систем должен предшествовать период регистрируемых наблюдений за работой отопительных систем. Мониторинг наблюдений позволит подобрать наиболее экономичный режим эксплуатации систем, и дать оценку комфортность теплового режима. Внедрение новых технических решений должно осуществляться в следующей последовательности: сначала на уровне единичного дома. На этой стадии проводится НИР по наблюдению за тепловым режимом здания, выполняются соответствующие разработки. Затем проектирование экспериментального объекта и его внедрение в строительство, с авторским сопровождением. Далее внедрение в массовое строительство.
Существующее положение в жилищно-коммунальном секторе, приводит к необходимости поиска новых путей обеспечения теплового режима помещений. На наш взгляд наиболее рациональным решением данной проблемы является использование комбинированных систем, включающих в себя фоновую — основную и дополнительную — малоинерционную системы.
400 3 2010
строительная теплофизика и энергосбережение
В качестве доводчиков целесообразно использовать электрические малоинерционные приборы. Результаты наблюдений позволяют считать, что электрические нагревательные элементы панельного типа весьма эффективны для применения дополнительного обогрева помещений в регионах России с невостребованной электрической энергией. Они соответствуют архитектурному образу помещения, удобны в эксплуатации и хороши для использования при периодическом режиме работы, а также в провальные часы потребления электрической энергии.
Электропанели целесообразно применять в помещениях с неблагоприятным тепловым режимом, в качестве догревающих устройств. Эффективность применения электрических доводчиков подтверждена исследованиями теплового режима помещения, как на физической модели, так и в натурных условиях Дополнительный панельный обогрев помещения совместно с традиционными приборами конвективного типа обеспечивает выравнивание температуры внутреннего воздуха при повышении температуры ограждения.
Практическому внедрению в массовое строительство комбинированных систем с доводчиками панельного типа должен предшествовать период наблюдений за тепловым режимом.
Литература
1. Волкова Н.Г., Богословский В.Н. Комбинированные инженерные системы обеспечения микроклимата зданий. Сб. докладов «Проблемы строительной теплофизики систем обеспечения микроклимата и энергосбереженияв зданиях», М., 1999, с. 51-58.
2. Волкова Н.Г. Влияние электропанелей на тепловой режим здания. Сб. докладов «Проблемы строительной теплофизики систем обеспечения микроклимата и энергосбережения в зданиях», М., 1999.
3. НТО НИИСФ РААСН « Технология оптимизации расхода энергии вновь возводимых и реконструируемых зданий», руководитель НИР Богословский В.Н., докт. техн. наук, проф., академик РААСН, М., 1998 г.
4. Волкова Н.Г. К разработке комплексного подхода при использовании дополнительных архитектурно-строительных и инженерных решений обеспечения микроклимата зданий. М., РААСН НИИСФ, Сборник докладов «Проблемы строительной теплофизики систем обеспечения микроклимата и энергосбережения в зданиях». 2001 г.
5. Волкова Н.Г., Богословский В.Н. Проблемы
энергосбережения реконструируемых зданий и их решение посредством использования новых технологий с учетом комбинированного обогрева помещений M., PAACH HИИCФ, Шорник докладов «Проблемы строительной теплофизики систем обеспечения микроклимата и энергосбережения в зданиях». 2GGG г.
6. Mетеорологический ежемесячник. Вып. B^. II. №1-12, 19BG-2GG4 гг.
Z. Катомина HS. Тепловой режим помещений с локальным панельным электрообогревом. M., HИИCФ, дис., канд. техн. наук., 19BZ г.
B. Катомина HT., Чиков O.A. Исследование температурного режима нагревательных элементов ^о-терм. C6. трудов HИИCФ. Исследования теплозащиты зданий, 19B3 г.
9. А.Мачкаши, Л.Банхиди. Лучистое отопление — M., 19BS.
1G. Волкова HS. Опыт использования дополнительного обогрева для обеспечения теплового комфорта рабочих мест локомотивного депо. ЦНИИ-ТЭИ. Железнодорожный транспорт. Cерия: Огрои-тельство. Проектирование. Выпуск 2-3. M. 2GG1 г.
11. Волкова HS. Биоклиматические здания малого объема и наружные воздействия в зимний период. M. ACADEMIA. Aрхитектyра и строительство, №4, 2GG9 г.
12. Волкова HS., Попова Ю.К. ^временные тенденции в строительстве, климате и экологии Третья Mеждyнародная научно-техническая конференция. Шорник докладов. M. CrCÓ. — 2GG9 г.
Время использования лучистых доводчиков для обогрева жилья
В статье показана целесообразность использования электрических лучистых доводчиков панельного типа для обеспечения теплового комфорта и экономии энергии на обогрев помещений.
Time of use radiant devices for heating bildings
by N.G. Volkova
In article the expediency of use electric radiant panel type for maintenance of thermal comfort and economy of energy on heating buildings.
Ключевые слова: отопление, электропанели, тепловой комфорт, энергосбережение.
Key words: heat, electropanels, thermal comfort, economy of energy.
3 2G1G 4G1
