Экономичное отопление зданий нового поколения с эффективным использованием энергии

Сообщение, сделанное доктором технических наук, профессором, заслуженным деятелем науки и техники России, академиком РААСН В. Н. Богословским (НИИСФ) и кандидатом технических наук, доцентом БГПА В. В. Покотиловым на международной научно-практической конференции "Решение проблем вентиляции и отопления при строительстве, модернизации и реконструкции зданий"

Новое поколение проектируемых и реконструируемых зданий отражает современную государственную энергетическую политику, ориентированную на приоритетность повышения эффективности использования энергии над увеличением ее производства. Реализуется данное направление в основном на базе отечественных материалов и оборудования путем установки приборов регулирования и учета теплопотребления, а также повышением теплозащитных качеств наружных ограждений зданий. При этом опыт передовых стран положительно повлиял на принимаемые в данной области нормативные и конструкторские решения.

При разработке систем водяного отопления также ориентируются на зарубежные аналоги, не учитывая при этом всего комплекса сопутствующих проблем. В передовых зарубежных странах для отопления зданий в основном применяют двухтрубные горизонтальные системы водяного отопления с местным ("по возмущению") и индивидуальным регулированием с помощью радиаторных термостатов. Источниками теплоты являются низкотемпературные тепловые сети, индивидуальные газовые котлы (работающие на природном или сжиженном газе), гелиосистемы и "солнечная архитектура" зданий. Используются также котлы для сжигания дров и прессованных древесных отходов с эффективной автоматизацией процесса горения. Теплопроводы выполняются из медных, металлопластиковых и полимерных труб с использованием соответствующей запорно-регулирующей арматуры и электронной системы комплексного автоматического управления. Работоспособность и энергоэффективность систем обеспечивается соответствующими сервисными и консультационными службами, а также организациями, осуществляющими энергетический аудит.

Не представляется же возможным использование данного опыта в массовом отечественном строительстве по целому ряду причин.

Во-первых, отечественная промышленность в основном не производит подобного оборудования и в ближайший период не следует ожидать широкого спроса на данные технологические изделия и материалы ввиду их высокой для отечественного потребителя стоимости.

Во-вторых, существующий уровень квалификации широкой сети эксплуатационных служб не соответствует и в обозримом будущем не будет соответствовать уровню профессиональной квалификации, требуемому для эксплуатации современных отопительных систем.

В-третьих, для современных двухтрубных систем водяного отопления выполняется гидравлическая регулировка с помощью балансировочных клапанов на подводках каждого отопительного прибора. В многоквартирных домах с помощью этих же клапанов жильцы самовольно увеличивают расход теплоносителя через радиаторы своей квартиры, тем самым абсолютно разрегулируя систему.

В-четвертых, периодическое отключение электроэнергии приводит к неработоспособности современных систем отопления.

Наконец, в-пятых существующие нормативные методы теплогидравлического расчета систем отопления составлены для стабилизированных теплогидравлических режимов работы систем и не соответствуют динамическим процессам работы современных автоматизированных систем отопления.

Анализ указанных обстоятельств приводит к выводу о необходимости иных технических решений в отличие от существующих в развитых странах с целью создания экономичных систем отопления, позволяющих реализовать массовое строительство индивидуальных и многоквартирных, административных и производственных зданий с эффективным использованием энергии (ЗЭИЭ).

Система отопления ЗЭИЭ рассматривается в качестве звена единого энергопотребляющего комплекса-здания с комплексной автоматизацией систем, обеспечивающей в течение года реальное и эффективное использование внутренних тепловыделений, солнечной энергии, а также утилизируемой энергии удаляемого воздуха и канализационных вод. Утилизируемая энергия при этом может взаимно перераспределяться в оптимальной пропорции между отопительными, вентиляционными и водоснабжающими системами.

ИСТОЧНИКИ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ

Тепловые сети

Рассматриваются два варианта подключения системы отопления - по зависимой и независимой схеме.

Зависимая схема подключения системы отопления к тепловой сети может быть реализована либо с помощью смесительных устройств, либо с помощью элеватора. Предлагается использование элеваторной схемы при дополнительном оснащении теплового узла двухпозиционным регулятором, который воздействует на обводной соленоидный клапан по факту отклонения температуры удаляемого воздуха в вентиляционном коллекторе. Оборудование рассчитывается на переключение мощности системы отопления примерно на 30% относительно расчетного значения. При временном отключении электроэнергии тепловой узел работает в обычном режиме элеваторного узла. Экспериментальные системы с использованием простейших элементов фирм "Grundfos" и "Herz" показали высокую надежность и простоту эксплуатации. Данная схема в особенности приемлема для реконструкции существующих элеваторных узлов, так как работы могут быть выполнены в отопительный период при общей стоимости от $500 до $1500. Аналогом предложенной системы можно считать схему с местными пропусками, по которой в 1948-50 гг. в г. Москве были смонтированы и в течение 2-3 лет эффективно эксплуатировались системы отопления в нескольких десятках жилых домов.

Независимая схема подключения отопления к тепловой сети может осуществляется либо традиционным путем с расположением оборудования в тепловом узле, либо с размещением индивидуальных узлов регулирования в виде распределительных шкафчиков непосредственно в обслуживаемых помещениях общественных или производственных зданий. Общая стоимость индивидуального узла регулирования составляет от $300 до $500. Экспериментальные варианты таких систем показали себя простыми в эксплуатации при обеспечении требуемого качества регулирования.

Индивидуальные котельные

Анализ проблемы ограничивается отопительными водогрейными котлами малой мощности (до 100-150 кВт). Для сжигания газа и жидкого печного топлива в настоящее время в отечественной практике существует множество вариантов приспособления автоматизированных эффективных горелок к котлам отечественного производства. Однако данные виды топлива, а в последние годы и уголь являются недоступными для большинства индивидуальных застройщиков, особенно в сельской местности. Используются в основном дрова, кусковой торф и торф-брикет. Существенный энергетический потенциал в данных условиях представляют древесные отходы, опилки, сгораемый мусор.

При использовании традиционных твердотопливных отопительных котлов практически невозможно реализовать автоматизированную работу системы отопления без включения в отопительный контур теплоаккумулирующих устройств. Были разработаны и реализованы проекты таких систем на примере сельского индивидуального жилого дома и небольшого деревообрабатывающего предприятия.

Система отопления индивидуального дома рассчитана на насосную циркуляцию, а также на обеспечение 50% требуемой мощности за счет гравитационной циркуляции (при отключении электроэнергии) для частичного сохранения работоспособности системы. Заправка бака-аккумулятора осуществляется без применения запорно-регулирующей арматуры. Горение топлива происходит в оптимальном режиме, так как протапливание проводится периодически (в течение 1-3 часов) и заканчивается по достижении температуры воды в баке-аккумуляторе 80-90°С. Отбор теплоты в систему отопления осуществляется автоматически путем включения-выключения насоса простейшим электроконтактным термостатом, расположенным в общей комнате. Расчетные параметры теплоносителя в системе отопления 75-55°С.

Для теплоснабжения деревообрабатывающего предприятия был разработан котел с кирпичной футеровкой с двумя топками и единой камерой сгорания. Одна топка имеет традиционную для сжигания дров конструкцию, а вторая, предназначенная для сжигания опилок, выполнена в виде шахты со ступенчатыми сводами в своем основании. Использованы трубчатые нагревательные элементы в сочетании с двумя баками-аккумуляторами емкостью по 1,3 м3 со встроенными трубчатыми змеевиками. Баки расположены выше котла для обеспечения гравитационной циркуляции между ними и нагревательными элементами котла.

Система отопления работает при непрерывной насосной циркуляции с трехтрубным магистральным распределением по отдельным цехам, в каждом из которых установлен смесительный клапан стоимостью $40 с радиаторным термостатом прямого действия. Котел протапливается периодически при стабильной температуре топочного объема. Протапливание заканчивается по достижении температуры воды в баке-аккумуляторе 80-90°С.

Солнечная энергия

Выявление энергоэффективной градостроительной структуры проводится на основании гелиотермического анализа климата и места застройки, что позволяет подготовить архитектурно-строительные решения каждого фасада ЗЭИЭ.

Для отопления в развитых странах в основном применяют пассивные способы использования солнечной энергии, в том числе с помощью окон, форма которых (а также расположение их на южном фасаде дома) способствует облучению только поверхности пола, который аккумулирует теплоту солнечного излучения. Из-за неприемлемости подобного решения в постсоветских условиях предлагается в качестве теплоаккумулирующих поверхностей использовать широкие подоконники (из бетона, камня), а также стены и потолки.

Для горячего водоснабжения в настоящее время применяют насосные гелиосистемы с расположением гелиоколлекторов на наружной поверхности дома (на кровле или на стене). Удельная стоимость такой гелиосистемы составляет не менее $400 на 1 м 2 гелиоколлектора. В основном они имеют электронную систему управления насосом в двухпозиционном режиме регулирования, что приводит к снижению энергоэффективности по сравнению с проектными значениями. Предлагается комбинированная гелиосистема, состоящая из контуров с гравитационной и насосной циркуляцией. Солнечный коллектор помещается внутри неотапливаемого объема (зимнего сада, атриума или теплицы), температура в котором в зимний и переходный периоды на 10-15°С выше температуры наружного воздуха. Данное решение удачно реализуется для индивидуальных или блокированных ЗЭИЭ. Стоимость гелиосистемы составляет не более $100 на 1 м2 гелиоколлектора при увеличении среднегодовой тепловой эффективности почти в 2 раза по сравнению с существующими аналогами.

Тип системы отопления

Необходимо в максимальной мере использовать существующие отечественные производственные технологии и существующий проектный опыт при дополнительном введении элементов автоматизации высокой степени надежности и низкой стоимости.

Предлагается для многоквартирных жилых ЗЭИЭ применять традиционные однотрубные вертикальные системы отопления из стальных труб с радиаторными трехходовыми термостатическими клапанами или с радиаторными термостатами большой пропускной способности.

Для гидравлической балансировки системы отопления достаточно использовать балансировочные краны только по стоякам.

Для индивидуальных и общественных зданий возможно использование любого оптимального варианта. В частности, для производственных и общественных зданий был разработан и реализован экспериментальный вариант новой трехтрубной схемы теплопроводов системы отопления, позволяющей реализовать режимы качественного регулирования по отдельным помещениям. Стоимость смесительного узла регулирования для отдельного помещения не превышает $80.

Расчет тепловой мощности системы отопления ЗЭИЭ

Тепловую мощность системы отопления ЗЭИЭ предлагается определять с учетом способа регулирования

Q от = Q т + Q и - Q б (1-h 1),

устанавливая таким образом зависимость мощности системы отопления от качества ее автоматизации. Значение h1=0,8 при индивидуальном регулировании, 0,4 при местном регулировании и 0,2 без регулирования.

Годовой энергетический баланс ЗЭИЭ

Годовой баланс ЗЭИЭ определяется суммой помесячных энергетических балансов по составляющим энергозатрат.

Суммарное потребление теплоты на теплоснабжение ЗЭИЭ по каждому месяцу Q мi, МДж, предлагается определять по выражению

Q мi = 2,6[(Q т + Q и)(t в - t мi)//(t в - t н) - Qб h 1]- Q с мi h1.

Здесь Q с мi - поступления от солнечной энергии через окна южного фасада за месяц, МДж; Qт, Qи - соответственно суммарные трансмиссионные теплопотери здания и теплопотери вследствие воздухообмена, Вт; Q б=150Ап/f п - бытовые теплопоступления, Вт; Ап - площадь пола жилых помещений, м2, fп - средняя величина жилой площади на 1 человека, м2/чел.; 1 - коэффициент, принимаемый в зависимости от способа регулирования системы отопления; tв, tн - расчетная температура соответственно внутреннего и наружного воздуха (параметры Б); tмi - среднемесячная температура.

Величина Qб включает, кроме бытовых теплопоступлений, утилизированную энергию тепловых сбросов.

Чтобы практически реализовать расчетный тепловой баланс ЗЭИЭ, необходим комплексный подход к проектированию инженерных систем как составляющих элементов единого архитектурно-энергетического комплекса, каковым является здание.