Эффективность систем отопления и вентиляции зданий

Е. О. Шилькрот, вице-президент НП «АВОК»

Обеспечение надежности и минимизация расходования энергии на отопление, вентиляцию и кондиционирование воздуха связаны в большинстве случаев с проведением мероприятий, требующих определенных материальных затрат. Невозможно решить оптимизационную задачу обеспечения эффективности систем в отрыве от экономических факторов и реальных трудностей в их увязке c инженерными задачами. Экономический фактор, приведенные или замыкающие затраты или срок окупаемости должны обязательно учитываться при выборе технических решений систем отопления, вентиляции, кондиционирования воздуха (ОВК). Представляется, что сегодня срок окупаемости по созданию или реконструкции систем ОВК может быть около 5 лет.

Надежность является важным показателем, определяющим потребительские свойства систем ОВК. Под надежностью (безотказностью работы) системы ОВК понимается ее способность обеспечивать и поддерживать в обслуживаемом помещении требуемые значения параметров микроклимата и чистоты воздуха в заданный период времени, а под отказом – состояние, когда значения этих показателей вышли за заданные пределы.

Надежность является вероятностной характеристикой работы систем ОВК и зависит, в основном, от выбранной производительности систем и надежности работы оборудования:

Р_овк = Р_пр х Р_об, (1)

где Р_овк, Р_пр, и Р_об – надежность системы, надежность выбора производительности системы, надежность работы оборудования соответственно.

При определении надежности работы систем ОВК следует учитывать, что практически любая система обладает временной избыточностью, т. е. создаваемый ею эффект не исчезает мгновенно при прекращении работы системы. Величина временной избыточности зависит от теплоинерционных качеств помещения, его объема, диапазона и интенсивности изменения нагрузок на систему. Сегодня практически ни один нормативно-методический документ не касается этого вопроса, хотя необходимые исследования для практических расчетов имеются. Вместе с тем на практике временная избыточность часто используется при регулировании работы систем, например при регулировании систем отопления «пропусками», использовании режима натопа, включения в работу систем вентиляции после достижения в помещении концентрации вредных веществ равных ПДК и т. п.

При выборе производительности систем основными факторами, при известных объемно-планировочных и конструктивных решениях здания, являются температура наружного воздуха, интенсивность солнечной радиации и величина технологических нагрузок, как правило, внутренних тепло- и газовыделений. Необоснованный количественный выбор этих факторов может привести к отказу в работе систем ОВК или неоправданному «запасу» мощности систем.

Например, принимая в качестве расчетной для систем отопления температуру наружного воздуха с обеспеченностью 0,92, в практике проектирования, как правило, не проверяется, какая температура воздуха будет в конкретном помещении в период резкого похолодания, когда температура наружного воздуха будет ниже расчетной. Расчет отопительной нагрузки в жилых домах сегодня в соответствии со СНиП 2.04.05-91* проводится с учетом внутренних тепловыделений, величину которых предписывается принимать не менее 10 Вт на 1 м² пола жилых помещений и кухонь. Оценка вероятного значения температуры внутреннего воздуха в квартирах жилых домов постройки после 1998 года показывает, что для зданий выше 6 этажей в диапазоне значений расчетной температуры наружного воздуха -25…-30 °C температура внутреннего воздуха (при отсутствии тепловыделений и являющейся массовой сегодня нерегулируемой системе вентиляции) снизится до 12–13 °C, что вряд ли можно считать приемлемым.

Надежность работы оборудования систем ОВК определяется его качеством, основным показателем которого может являться наработка на отказ. Учет временной избыточности систем при выборе оборудования и схемного решения позволяет установить вероятность возможных отказов в работе оборудования, установить регламенты его обслуживания и ремонта, предусмотреть на основе объективных расчетов необходимость резервирования или дублирования систем и их элементов. СНиП 2.04.05-91* содержит ряд указаний о необходимости резервирования систем, но, как правило, они не имеют объективного обоснования.

Показатели надежности некоторых систем представлены в таблице.

В современных условиях конкурентного рынка инвестору при выборе расчетных условий, схем и оборудования систем следует требовать от подрядчика обоснование предлагаемых решений с точки зрения эксплуатационной эффективности в сочетании с ценой.

Временная избыточность системы отопления, т. е. время, за которое должна быть восстановлена ее работоспособность, составит 4–8 часов. За этот период времени температура внутреннего воздуха не снизится ниже допустимых значений.

Представляется, что одним из нормативно-методических документов, стандартов, разрабатываемых НП «АВОК», должен стать стандарт по определению и прогнозированию надежности систем ОВК.

В последнее время энергосбережение (рациональное использование энергетических ресурсов) стало одной из ключевых проблем специальности, и было бы неверным не согласиться с такой постановкой вопроса. Сегодня ее решения, как правило, направлены на повышение теплозащиты ограждающих конструкций и эффективности теплоснабжения. Эти вопросы действительно актуальны, должны обеспечить устранение неоправданных потерь энергии, вызванных, как правило, изношенностью основных фондов и бесхозяйственностью. Здесь необъятное поле проблем – организационных, административно-правовых, финансовых; меньше инженерных.

Вместе с тем, по-видимому, ключевыми вопросами в деле эффективного использования энергии являются проблемы потребляющих систем – отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха. Здесь имеются широкие возможности для разработки рациональных схем и технических решений систем, обеспечивающих устранение или минимизацию зон, участков, помещений и зданий в целом с избыточным, во времени и пространстве, нагревом, охлаждением и вентилированием. На наш взгляд, именно это направление наиболее перспективно.

Минимально необходимый расход энергии на отопление и вентиляцию помещений будет иметь место в том случае, когда в любой момент времени в заданной точке или зоне помещения подача тепла и свежего воздуха соответствует минимально необходимым значениям, обеспечивающим с заданной надежностью потребительские свойства систем, т. е. требуемые параметры микроклимата и чистоту воздуха.

Проектирование и строительство энергоэффективных систем ОВК позволяют сократить эксплуатационные энергозатраты от 30 до 75 % без снижения уровня их комфортности и функциональности.

Обеспечение потребительских свойств и энергоэффективности систем ОВК связано с анализом процессов формирования, поддержания и управления воздушно-тепловым режимом (ВТР) помещений и здания в целом при изменяющихся в течение периода эксплуатации условиях.

ВТР является одной из основных характеристик помещений и зданий как среды обитания человека и условий нормального функционирования технологического процесса.

Под ВТР подразумевается совокупность полей параметров, характеризующих воздушно-тепловой микроклимат помещений: температуру воздуха (t) и окружающих поверхностей (t), концентрацию содержащихся в воздухе примесей, включая пыль и влагу (С, j), скорость движения воздуха (V), ионный состав (i) и т. п.

Теория ВТР в ее сегодняшнем виде была создана трудами отечественных ученых и инженеров: В. Н. Богословского, О. Е. Власова, В. В. Константиновой, В. Д. Мачинского, С. И. Муромова, М. Я. Поза, Н. А. Селиверстова, Г. А. Селиверстова, Л. А. Семенова, Ю. А. Табунщикова, В. П. Титова, К. Ф. Фокина, А. М. Шкловера и многих других.

Проектирование ВТР, способов его стабилизации, управления и оптимизации является основным инструментом для разработки технических решений систем ОВК.

«Идеальный» ВТР соответствует положению, когда в каждый момент времени в каждой точке помещения баланс тепла (холода) и воздуха (примесей) обеспечивает требуемые параметры воздушно-теплового микроклимата.

«Оптимальному» ВТР будут соответствовать технические решения, при которых при обязательном соблюдении требуемых параметров воздушно-теплового микроклимата в обслуживаемой (рабочей) зоне ВТР-помещение будет минимально отличаться от «идеального». Степень приближения «оптимального» ВТР к «идеальному», помимо знаний и искусства проектировщика, определяется экономическими факторами.

Условно можно разделить ВТР на естественный (пассивный) и искусственный (активный). Пассивный ВТР формируется как результат взаимодействия здания (формы, ограждающих конструкций) с наружным климатом; активный ВТР формируется как результат взаимодействия пассивного ВТР и систем обеспечения внутреннего воздушно-теплового микроклимата – систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха.

Существенную, а часто определяющую в промышленных зданиях роль в формировании ВТР оказывает технологический процесс, который должен рассматриваться как фактор пассивного ВТР, если отсутствует возможность влияния на его характеристики, или активного ВТР, если такая возможность предусмотрена.

Знание закономерностей формирования и управления ВТР зданий позволяет решить ряд задач, в т. ч. социальных, в части формирования здоровой среды обитания; технологических, в части формирования необходимых условий функционирования технологического процесса; экономических, в части рационального расходования ресурсов, прежде всего, энергетических.

Рациональная область применения для большинства схем современных систем ОВК может быть определена с помощью анализа ВТР, в частности для перемешивающей и вытесняющей вентиляции, воздушного, лучистого и комбинированного отопления и охлаждения помещений, локального отопления и охлаждения и т. п.

Показатели надежности систем отопления и вентиляции*

№ п/п Наименование системы Показатель надежности, Р(T)** 1 Система воздушного отопления с нагруженным резервным отопительным агрегатом P(4776) = 0,91 2 То же с ненагруженным резервным отопительным агрегатом P(4776) = 0,95 3 То же с ненагруженным резервным вентилятором P(4776) = 0,52 4 Система вытяжной механической вентиляции P(8760) = 0,51 5 То же с резервным вентилятором P(8760) = 0,85

** Данные таблицы соответствуют оборудованию, производимому в СССР. ** Время работы системы в течение года.

Следует отметить, что большинство подобных решений известно. К ним в первую очередь следует отнести регулируемые системы отопления и вентиляции жилых зданий, комбинированные системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха общественных зданий, газоиспользующие системы отопления и вентиляции промышленных зданий, эффективные системы местных отсосов с очисткой удаляемого воздуха, утилизацию тепла удаляемого воздуха и т. п.

Основными факторами при формировании полей параметров в помещении являются источники и стоки теплоты и массы: нагретые и охлажденные поверхности (ограждения, технологическое оборудование), отверстия в ограждениях и оборудовании (окна, фонари, ворота, загрузочные люки), системы ОВК (нагревательные приборы, приточные и вытяжные отверстия).

Взаимодействие источников и стоков и индуцируемых ими воздушных и тепловых потоков определяет их распространение (циркуляцию) в помещении и формирование полей параметров.

Как правило, распределение параметров в помещении достаточно неравномерно, что объясняется естественными закономерностями.

Поля параметров в помещении могут быть полностью описаны с помощью методов гидродинамики. Уравнения движения, энергии и неразрывности в сочетании с начальными и граничными условиями позволяют сформулировать физико-математическую постановку задачи о распределении температуры, скорости и концентрации веществ в воздухе и на поверхностях в помещении. Для решения уравнений необходимо выявить условия их замыкания, которые применительно к турбулентному режиму течения в помещении требуют опытного установления характеристик турбулентности. В настоящее время нет общих методов выявления этих характеристик, хотя применение численных методов (CFD-модель) получило в последние годы большую популярность. С другой стороны, принятые в инженерной практике грубые осреднения, когда поле параметров заменяется одним осредненным значением (например, температура или влажность в помещении), не удовлетворяют практику.

В последнее время получили распространение промежуточные способы описания и расчета распределения параметров в помещении, основанные на методе позонных тепловых балансов.

Суть метода состоит в разделении помещения на отдельные зоны, внутри которых значение параметров принимается постоянным (одномерная модель) либо изменяющимся по выбранной закономерности, или для описания поля используются приближенные зависимости потенциального течения (метод склейки), либо пограничного слоя.

В общем случае число зон и соответствующее число уравнений баланса может быть достаточно велико.

Анализ ВТР методом позонных тепловых балансов позволил решить ряд инженерных прикладных задач по расчету и анализу ряда схем систем ОВК.

Применительно к задачам вентиляции и кондиционирования воздуха получены зависимости для расчета значения коэффициента эффективности воздухообмена K_t необходимого для расчета расхода приточного воздуха в помещениях.

В помещениях с тепловыделениями с помощью K_t устанавливается связь между температурой приточного воздуха, воздуха в обслуживаемой, рабочей зоне и удаляемого:

K_t = (t_у - t_пр)/(t_рз - t_пр), (2)

 

(3)

где t_y, t_пр, t_рз – температура воздуха удаляемого, приточного и в рабочей, обслуживаемой зоне помещения соответственно;

K = (t_у - t_рз)/(t_у - t_рз) – температурный симплекс (t – температура поверхности в соответствующей зоне);

a_л, f_л, a_m, f_m – коэффициенты и площади поверхности лучистого и турбулентного теплообмена соответственно;

y, f и b – доля конвективного тепла источников, доля лучистого тепла источников, направленная в рабочую, обслуживаемую зону, доля конвективного тепла источников, ассимилируемая воздухом в рабочей зоне;

c_p и G₀ – теплоемкость и расход приточного воздуха соответственно.

Формула (3) является универсальной; она пригодна для различных схем организации воздухообмена в помещениях: для схемы перемешивающей вентиляции (MV) и схемы вытесняющей вентиляции (DV).

Структура формулы (3) имеет определенный физический смысл: первое слагаемое знаменателя показывает долю теплоты источников тепловыделений, непосредственно влияющую на температуру воздуха в обслуживаемой зоне помещения, второе характеризует лучистый теплообмен в помещении и третье – турбулентный теплообмен.

Для случаев MV и DV значения am будут различны.

Для MV, когда в помещении формируется единая зона циркуляции, турбулентный теплообмен определяется интенсивностью перемешивания воздуха приточными струями:

a_m = c_p (G_сmр - G_пр) / f_m,

где G_сmр – расход в приточной струе месте входа ее в рабочую, обслуживаемую, зону помещения.

Обозначим через m следующее соотношение:

m = (G_сmр - G_пр) / G₀.

Значение легко установить, зная схему организации воздухообмена в помещении и характеристики воздухораспределителей.

Например, для схемы вентиляции с подачей приточного воздуха вертикальными струями значение m и a_m определяется как:

m = m (h - h_рз) / F₀^1/2 - 1,

a_m = [c_pG₀m (h - h_рз) / F₀^1/2 - 1],

где m и F₀ – кинематическая характеристика и площадь воздухораспределителя;

h и hрз – высота расположения воздухораспределителя и высота рабочей зоны.

Анализ формул показывает, что для случаев MV практически значение K_t близко к 1 (в пределах точности исходных данных).

Для DV, когда в помещении формируется градиент температуры воздуха по высоте, турбулентный теплообмен определяется величиной градиента и числом R_i:

a_m = c_prA_m(dT / dz) / (t_y - t_рз),

здесь A_m – коэффициент турбулентного обмена между зонами при градиенте температуры воздуха по высоте помещения:

A_m = A₀[1 + 10/3 (R_i)]^-3/2,

где A₀ – коэффициент турбулентного обмена в отсутствии стратификации A₀ ~ 0,35.

Анализ формул показывает, что для случаев DV, лучистый и турбулентный теплообмен между зонами в помещении существенно влияет на величину Kt, уменьшая его значение примерно в 1,5–2 раза для помещений небольшой высоты (3–5 м). Если не учитывать данное обстоятельство, то можно прийти к существенному завышению эффективности DV.

Определение поправочного коэффициента для расчета теплопотерь

Использование метода позонных тепловых балансов (совместно с расчетом воздухораспределения) позволяет обоснованно выбрать эффективную схему организации воздухообмена в помещении для конкретных условий, обеспечивающую минимизацию воздухообмена и энергетических затрат.

Применительно к задачам отопления получены зависимости для расчета нагрузок систем лучистого отопления помещений и обогрева отдельных зон и рабочих мест в неотапливаемых помещениях и на открытом воздухе.

Расчетная тепловая нагрузка на систему лучистого отопления Q_от определяется по формуле:

Q_от = С (Q_mn + Q_инф - Q_вн), (4)

где Q_mn – «стандартные» теплопотери помещения через наружные ограждения;

Q_инф – расход тепла на нагрев наружного воздуха (инфильтрация и вентиляция неподогретым воздухом);

Q_вн – внутренние тепловыделения в помещении, в т. ч. теплопоступления от дополнительных, например дежурных систем отопления.

В формуле (4) поправочный коэффициент С учитывает допустимое снижение температуры внутреннего воздуха в рабочей зоне и ее распределение по высоте помещения при лучистом отоплении. Значение этого коэффициента определяется по графику в зависимости от комплексных показателей Р и М:

P = K_p - 3Q_вн/(А•В•Н (t_рз - t_н)),

где К_р – кратность инфильтрационного воздухообмена, 1/ч;

А, В, Н – длина, ширина и высота отапливаемого помещения соответственно.

M = (B/H)•(К_вз/К_нз),

где К_вз, К_нз – средневзвешенные по площадям отдельных наружных ограждений коэффициенты теплопередачи для зон помещения, расположенных соответственно выше и ниже излучателей.

Анализ приведенного графика показывает, что расчетная тепловая нагрузка систем лучистого отопления отличается, как правило, в меньшую сторону от нагрузки традиционных систем воздушного отопления при правильном их устройстве на 15–20 %. Вместе с тем подтверждено практикой, что газовое лучистое отопление позволяет в 2 и более раз сократить затраты энергии на отопление. Такой результат достигается за счет хорошей управляемости системы и выполнения условий минимизации энергозатрат, сформулированной в начале статьи.

Управляемость систем ОВК является сегодня основным фактором снижения эксплуатационных энергетических затрат. Пособие к МГСН 2.01-99, выпуск 1, рекомендует при определении потребности в тепле жилых зданий за отопительный период применять коэффициент эффективности автоматического регулирования подачи тепла. Величина этого коэффициента изменяется в 2 раза при использовании систем отопления без термостатов и без автоматического регулирования на вводе в здание и при использовании систем отопления с термостатами, пофасадном автоматическим регулированием на вводе или поквартирной системой отопления. Большие возможности экономии энергии могут быть реализованы в системах вентиляции промышленных зданий при организации их эксплуатации в режиме переменного расхода воздуха.

Представляется, что в рамках разрабатываемого «АВОК» комплекса стандартов по интеллектуальным зданиям должны найти отражения вопросы управляемости систем ОВК и ее влияние на энергопотребление.