«ОТЧЕТ ПО НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ РАБОТЕ РАЗРАБОТКА НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ПО СОЗДАНИЮ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНЫХ ИНЖЕНЕРНЫХ СИСТЕМ АДМИНИСТРАТИВНЫХ ЗДАНИЙ Контракт: № 02.516.11.6197 от 25.06.2009 г. с Федеральным агентством ...»

Общество с ограниченной ответственностью

« НПО ТЕРМЭК»

УДК 696/697-021.27; 628.1/.2-021.27 Экз. № _

Номер гос. регистрации 01200958924 Архивный №

Инв.

УТВЕРЖДАЮ

Зам. Генерального директора ООО «НПО ТЕРМЭК»

_ Т. А. Аксенова « _ » сентября 2009 г.

ОТЧЕТ

ПО НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ РАБОТЕ

«РАЗРАБОТКА НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ПО СОЗДАНИЮ

ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНЫХ ИНЖЕНЕРНЫХ СИСТЕМ

АДМИНИСТРАТИВНЫХ ЗДАНИЙ»

Контракт: № 02.516.11.6197 от 25.06.2009 г.

с Федеральным агентством по науке и инновациям в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы»

Шифр: 2009-06-1.6-31-28- Этап I: «Разработка схемных решений инженерных систем»

(промежуточный) Руководитель работ: _ А.Л. Наумов Москва, 2009 г.

СПИСОК ИСПОЛНИТЕЛЕЙ

Должность, звание Подпись, дата ФИО, главы отчета Инженер 1 категории А.О. Будза, раздел Инженер 2 категории А.Ю. Гаврилова, раздел Инженер 1 категории О.В. Егорова, раздел Ведущий бухгалтер Е.Н. Корнеева, раздел Ведущий инженер А.Ю. Милованов, раздел Инженер 1 категории А.А. Михайлов, раздел 5, Ведущий инженер О.В. Мягкова, раздел А.Л. Наумов Генеральный директор, Руководство работой, введение, кандидат технических наук заключение, раздел Ведущий инженер Е.С. Никишина, раздел Ведущий инженер Д.А. Огнева, раздел Техник-проектировщик А.В. Плотникова, раздел Главный специалист А.Б. Скачков, раздел Руководитель сектора М.Г. Созинова, раздел Главный специалист М.С. Соседов, раздел Ведущий инженер А.Ф. Терещенко, раздел монтажного отдела Ведущий инженер Т.И. Хомутова, раздел

РЕФЕРАТ

Отчет 146 с., 47 рис., 24 табл., 86 источников, 1 прил.

ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТЬ, ИНЖЕНЕРНЫЕ СИСТЕМЫ, ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ, АДМИНИСТРАТИВНЫЕ ЗДАНИЯ, ОТОПЛЕНИЕ, КОНДИНЦИОНИРОВАНИЕ, ВЕНТИЛЯЦИЯ, ХОЛОДОСНАБЖЕНИЕ, ОСВЕЩЕНИЕ, СЕТЕВЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ПОТЕРИ

Цель работы – разработка научно-технических решений по созданию энергоэффективных инженерных систем административных зданий, обеспечивающих экономию энергии в процессе эксплуатации не менее 35%. Разработка демонстрационного проекта энергоэффективного административного здания с инновационными инженерными системами.

В ходе выполнения этапа №1 выполнены следующие работы:

разработаны показатели энергоэффективности систем современных административных разработаны схемные решения энергосберегающих систем: отопления и теплоснабжения;

разработаны схемные решения энергосберегающих систем вентиляции и кондиционирования воздуха;

разработаны схемные решения энергосберегающих систем холодоснабжения с аккумуляторами холода;

разработаны схемные решения энергосберегающих систем холодного и горячего водоснабжения;

разработаны схемные решения энергосберегающих систем освещения;

разработаны схемные решения снижения сетевых энергетических потерь в трубопроводных

СОДЕРЖАНИЕ

Введение……………………………………………………………………..……….. Разработка показателей энергоэффективности систем Разработка схемных решений энергосберегающих систем:

Схемные решения горизонтальных периметральных 2.1.

Схемные решения горизонтальных лучевых систем отопления........ 2.2.

Схемные решения узлов регулирования теплоотдачи отопительных 2.3.

приборов и зональных узлов коммерческого учета тепла.............. Схемные решения теплоснабжения систем вентиляции............... 2.4.

Разработка схемных решений энергосберегающих систем вентиляции и кондиционирования воздуха......................... Утилизация теплоты вытяжного воздуха для подогрева приточного.... 3.1.

Системы вентиляции с переменным расходом воздуха............... 3.2.

3.3.

Системы кондиционирования воздуха с фанкойлами................. 3.4.

Системы кондиционирования воздуха на базе VRF-систем............ 3.5.

Разработка схемных решений энергосберегающих систем Современные технологии аккумуляции холода...................... 4.1.

Схемы холодоснабжения с контейнерами фазового перехода........... 4.2.

Разработка схемных решений энергосберегающих систем Направления энергосбережения в системах водоснабжения............. 5.1.

Современные схемы и горячего водоснабжения....................... 5.2.

Разработка схемных решений энергосберегающих систем освещения.... Энергоэффективные источники света для административных зданий... 6.1.

Управление системами энергоэффективного освещения.............. 6.2.

Схемы современных систем освещения административных зданий..... 6.3.

Разработка схемных решений снижения сетевых энергетических потерь Влияние скорости движения и диаметра трубопроводов 7.1.

Оптимизация схемных решений трубопроводных сетей 7.2.

Список использованных источников...................................... Приложения Приложение А. Техническая документация на энергосберегающие системы административных зданий…………………………………………… ……. том Лист 1. План типового офисного этажа с системами отопления Лист 2. Схема системы отопления Лист 3. Узлы подключения распределительных гребенок системы отопления Лист 4. План технического этажа на отм. 57, Лист 5. План технического этажа на отм. 61,95 и 61, Лист 6. План типового офисного этажа с системами вентиляции Лист 7. Схема теплоснабжения приточных установок Лист 8. Схема холодоснабжения приточных установок Лист 9. Принципиальная схема холодильного центра № Лист 10. План расположения холодильного оборудования на отм. 53, Лист 11. План расположения холодильного оборудования на отм. 57, Лист 12. План расположения холодильного оборудования на отм. 61, Лист 13. Схема систем холодоснабжения фанкойлов офисных этажей(начало) Лист 14. Схема систем холодоснабжения фанкойлов офисных этажей (продолжение) Лист 15. Принципиальная схема насосной станции водоснабжения Лист 16. План типового офисного этажа с сетями водопровода Лист 17. Схема систем горячего и холодного водоснабжения офисных этажей Лист 18. Схема систем горячего и холодного водоснабжения офисных этажей (стояки)

ВВЕДЕНИЕ

С каждым годом необходимость дальнейшей работы в области повышения эффективности потребления энергии становится все острее.

Страны-члены ЕС открыто заявили о приоритете политики повышения энергетической эффективности в жилищном секторе, учитывая приходящуюся на него долю энергопотребления.

Экономический потенциал, получаемый при внедрении энергосберегающих мероприятий в зданиях, огромен.

В настоящем отчете представлены разработки функционально связанных схемных решений инженерных систем, определяющих энергопотребление административных зданий.

Определены направления и технические решения систем инженерного обеспечения зданий, позволяющие сократить годовое потребление энергии в административных зданиях не менее, чем на 40% по сравнению с традиционными современными решениями.

В области отопления разработаны инновационные схемные решения позонных горизонтальных автоматизированных систем, обеспечивающих экономию теплоты 30-40%.

Предложенные схемы вентиляционных систем на базе роторных теплоутилизаторов с использованием переменных режимов расхода воздуха и сочетание естественной вентиляцией позволяют экономить до 70-75% тепловой энергии.

В сфере кондиционирования воздуха и холодоснабжения применены аккумуляторы холода на базе фазовых переходов агрегатного состояния рабочей среды со снижением установленной мощности холодильных машин и вентиляторных градирен в 1,5-2 раза.

Применена водосберегающая арматура и оконечные устройства, позволяющие сократить потребление воды и энергии в системах водоснабжения на 30-40%.

Управляемая энергоэффективная система освещения с использованием датчиков освещенности и присутствия позволит снизить электропотребление на 60%.

Обоснован выбор оптимальных скоростей движения рабочей среды в трубопроводных инженерных системах (вентиляции, отопления, теплоснабжения, водоснабжения, холодоснабжения), что предусматривает экономию электроэнергии на привод насосов и вентиляторов в размере 50Разработана система показателей оценки энергоэффективности административных зданий, а также отдельных инженерных систем.

В приложении приведена техническая документация основных энергосберегающих инженерных систем реального проектируемого многофункционального административного здания.

1 Разработка показателей энергоэфективности инженерных систем В большинстве случаев энергопотребляющее инженерное оборудование зданий является элементом сложной системы и достижение прогнозируемого положительного эффекта – продукт слаженного взаимодействия всех компонентов системы.

На практике нередко приходится сталкиваться с ситуациями, когда применение энергоэффективного оборудования не приводит к существенному снижению энергоемкости всей системы в целом.

Так, при реконструкции автономной системы теплоснабжения в Подмосковье старая котельная была заменена на современную энергоэффективную. КПД котельной был повышен с 68 до 92%. Повысилась температура теплоносителя при снижении его расхода, но прибавления тепла жители домов не ощутили. В старой теплосети из-за повышения температуры и снижения расхода теплоносителя возросли трансмиссионные теплопотери и потери с утечкой теплоносителя, а в самих домах из-за изменения теплогидравлического режима наступила разрегулировка систем отопления.

Подобные случаи встречаются и в практике проектирования и строительства новых объектов. Типичный пример энергорасточительности в офисных зданиях – одновременная работа систем отопления и охлаждения в переходные периоды года. Периметральные системы отопления с помощью автоматических термостатов, установленных на отопительных приборах, поддерживают в помещениях комфортную температуру воздуха 22±1 оС. Утром офисы заполняются персоналом, включается свет, компьютеры, оргтехника и температура воздуха начинает возрастать, автоматически включаются охлаждающие вентиляторные доводчики «фанкойлы». Температура воздуха снижается, на что термостаты системы отопления реагируют открытием клапанов и увеличением теплоотдачи отопительных приборов. На увеличение потоков тепла от отопления фанкойлы отвечают усилением подачи холода. Такое «соревнование» отопления и охлаждения приводит к многократным перерасходам энергии. Избежать этого возможно, если системы отопления и охлаждения объединить в общую функционально связанную систему, подчиняющуюся единому управляющему алгоритму.

К сожалению, в проектной практике попытки «воткнуть» энергоэффективные изделия в несовершенные инженерные системы скорее правило, чем исключение. Отсутствуют алгоритмы и методические подходы к адекватному подбору сочетающихся по классам энергоэффективности элементов инженерных систем, обеспечивающих оптимальный совокупный эффект энергосбережения всей системы.

Административные директивы применять на всех отопительных приборах термостатические регуляторы или использовать в тепловых пунктах насосы только с частотным приводом ничего общего с политикой энергоэффективности не имеют.

Реализация требования производить и применять энергоэффективное инженерное оборудование (насосы, вентустановки, холодильные машины, кондиционеры) – необходимое условие энергосбережения, но недостаточное.

Понятие энергоэффективного здания не имеет строгих определений и в разных странах требования по показателям энергоэффективности отличаются.

В общем случае энергоэффективность нельзя отрывать от характеристик экологичности.

Снижение потребления первичной энергии (топливно-энергетических ресурсов) приводит к сокращению эмиссии в атмосферу диоксидов углерода и еще целого ряда загрязнителей.

В 1983 г. в ООН была создана Всемирная комиссия по окружающей среде и развитию (WCED) для оценки «быстрого ухудшения состояния окружающей среды и природных ресурсов и определения последствий этого процесса для экономического и социального развития».

Многие страны приняли соответствующие программы улучшения энергетических показателей зданий, а с целью координации методологических подходов и показателей энергоэффективности был создан ряд международных организаций помимо комиссии ООН.

К числу авторитетных национальных и международных организаций, занимающихся на стратегическом уровне проблемами энергоэффективности и экологии, следует отнести:

Национальный совет по строительству и планированию Boverket (Швеция);

Ирландский центр экологически чистой и устойчивой энергии SEI;

Центр экологической классификации зданий в Финляндии PROMIS;

Агентство окружающей среды и энергетики во Франции ADEME;

Совет по архитектуре и строительству экологически чистых зданий в Англии UKGBS;

Совет по экологически чистым и энергоэффективным зданиям в Германии DGNB;

Совет по архитектуре энергоэффективного и экологически чистого строительства в США USGBS.

Последние двадцать лет организации активно работают над созданием методологических основ и систем оценки энергоэффективного и экологического строительства.

Среди разработанных материалов, как наиболее проработанных, следует отметить:

Руководство по энергетическому и экологическому проектированию LEED. Система разработана в США и охватывает весь жизненный цикл зданий: от проектирования и строительства до эксплуатации по пяти разделам: генплан, рациональное ресурсоиспользование, энергопотребление, строительные материалы и микроклимат.

Метод энергетической и экологической экспертизы BREEAM, разработанный специалистами Великобритании и охватывающий 9 основных блоков строительного цикла;

Система оценки энергоэффективности зданий IISBE (международная система сертификации строительства со штаб-квартирой в Канаде).

Европейская Ассоциация по системам инженерного обеспечения зданий и строительной теплофизике (REHVA) выполнила серьезный анализ национальных моделей энергетической и экологической оценки зданий. В итоге была принята директива Е(2)PBD, направленная на гармонизацию национальных систем оценки зданий и выработке общих методологических подходов. В марте 2009 года четыре национальных организаций: LEED (США), BREEAM (Великобритания), GREEN STAR (Австралия), UK-GBS подписали меморандум о разработке единой системы энергетической и экологической оценки зданий [1, 7, 9].

Попытки разработать нормативную модель оценки энергоэффективности зданий предпринимались и в России.

Основным документом, регламентирующим энергопотребление в зданиях, стал СНиП 23Тепловая защита зданий [10].

Документ предусматривает классификацию зданий по пяти классам энергетической эффективности:

В действующих нормах уровень энергетической эффективности зданий, в том числе общественных, характеризуется «значением удельного расхода тепловой энергии на отопление здания за отопительный период» [10].

За рамками этого определения остаются расходы энергии на другие системы инженерного обеспечения здания: системы кондиционирования воздуха и холодоснабжения, электроснабжения вентиляторов и насосов, освещения, что, по крайней мере, не логично, так как инвестиционные и эксплуатационные затраты на неохваченные нормами энергопотребляющие инженерные системы значительно превышают показатели системы отопления.

Такая трактовка энергоэффективности здания не корреспондируется и с общепринятыми определениями в отечественной и зарубежной практике [12].

Кроме того, регламентируемая нормами [10] связь энергопотребления систем отопления и уровня теплозащиты наружных ограждений административных зданий нуждается в уточнении.

В административных зданиях, оборудованных системами кондиционирования воздуха, трансмиссионные теплопотери и теплопоступления в теплый и переходный периоды года в значительной мере влияют на энергозатраты систем холодоснабжения.

Рассмотрим влияние теплопотерь в годовом режиме на уровень теплозащиты наружных ограждений на примере административных зданий в климатических условиях г. Москвы.

Административные здания характеризуются значительными внутренними тепловыделениями. В таблице 1.1 представлены данные об уровне удельных тепловыделений на 1 м 2 офисной площади в зависимости от плотности размещения сотрудников.

Таблица 1.1 - Внутренние тепловыделения в административных зданиях, Вт/м Компьютер с периферией Общая оргтехника плоттеры, кулеры и т.п.) Величина внутренних тепловыделений соизмерима, а в ряде случаев превышает расчетные трансмиссионные теплопотери административных зданий. Нагрузка на систему отопления в значительной степени зависит от режима работы офисов, который можно характеризовать числом рабочих часов в неделю. Для нашего анализа по степени теплонапряженности разделим административные здания на 3 категории (таблица 1.2). Теплонапряженность зданий влияет на продолжительность отопительного периода и периода работы системы охлаждения установок кондиционирования воздуха.

К первой категории относятся учреждения с 5-дневной рабочей неделей и 8-9 часовым рабочим днем. Вторая категория предполагает средний по загрузке режим работы, а третья – высокую загрузку – 6-7 дневную рабочую неделю с 10-12 часовым рабочим днем.

Таблица 1.2 - Категории административных зданий по теплонапряженности внутренних тепловыделений Естественно, что чем выше внутренние тепловыделения и продолжительность рабочей недели, тем короче отопительный период и больше период работы системы холодоснабжения. В зависимости от уровня теплозащиты здания потребность в холоде систем кондиционирования воздуха для административных зданий I категории наступает при среднесуточной температуре наружного воздуха 0 +5 оС, II категории 0 -5 оС, и для III категории ниже -5 оС.

Примем, что круглый год в офисах поддерживается температура воздуха +22±2 оС.

В холодный период года, когда трансмиссионные теплопотери здания превышают внутренние тепловыделения, дефицит тепловой энергии восполняется системой отопления. Система отопления с помощью термостатических регуляторов, настроенных на +20 оС, автоматически поддерживает заданную температуру как в рабочее время, так и в нерабочее.

С повышением температуры наружного воздуха теплопотери становятся соизмеримыми с внутренними тепловыделениями и в рабочее время термостаты отключают подачу тепла в отопительные приборы и включаются во внерабочее время при снижении температуры воздуха ниже +20 оС.

Следует отметить, что за счет внутренних тепловыделений и солнечной радиации к концу рабочего времени температура воздуха может достигать +23 24 оС, и благодаря теплоустойчивости здания в нерабочий период температура воздуха может не снизиться до +20 оС и система отопления останется отключенной.

В переходный период при превышении температуры воздуха в помещениях +24 оС включается в работу система кондиционирования воздуха. В этот период потенциал трансмиссионных теплопотерь достаточно большой и определяется разностью температуры наружного и внутреннего воздуха в 20 25 оС. Теплопотери в этот период играют положительную роль, снижая нагрузку на систему холодоснабжения. С повышением температуры наружного воздуха теплопотери здания снижаются, а при достижении среднесуточной наружной температуры выше +24 оС имеет место обратный процесс – трансмиссионные теплопоступления, повышающие нагрузку на систему холодоснабжения.

Для справки приведем некоторые климатические данные по г. Москве за 2008 г. по данным [14].

Таблица 1.3 - Климатические данные по г. Москве за 2008 г.

Если судить по среднемесячным данным для административных зданий с учетом внутренних тепловыделений период работы систем отопления падает в основном на три зимних месяца, а потребность в холоде проявляется в течение 7-8 месяцев. Число солнечных дней в летние месяцы составляет 15-18 дней (менее 20%), на остальные дни приходится переменная облачность и пасмурная погода.

Надо отметить, что для анализа теплопотерь – теплопоступлений необходимо в расчеты вводить условную лучисто-конвективную наружную температуру с добавкой, учитывающей воздействие солнечной радиации. Для теплого периода года в солнечные дни добавка к среднесуточной температуре наружного воздуха может составлять 3 5 оС, в пасмурные дни 2-3 оС.

В климатических условиях г. Москвы в административных зданиях величина трансмиссионных теплопоступлений в теплый период года составляет 2 3% от величины теплопотерь, приходящихся на период работы системы кондиционирования воздуха (по отношению к температуре внутреннего воздуха +24 оС).

Проанализируем, как влияет уровень трансмиссионной теплозащиты на нагрузки в системах отопления и кондиционирования воздуха для трех категорий административных зданий (таблица 1.2).

Выполненные расчеты носят оценочный характер. Принято, что во всех категориях зданий светопрозрачные ограждения имеют одинаковые размеры и теплофизические характеристики. В зданиях используется изотермическая вентиляция (температура приточного воздуха равна температуре внутреннего воздуха), что позволяет исключить вентиляцию из тепловых балансов сравниваемых результатов.

Площадь наружных поверхностей здания равна половине внутренних площадей здания.

Все здания одинаковой формы. Влияние проникающей солнечной радиации учитывается добавкой к внутренним тепловыделениям.

Результаты расчетов удельных расходов тепловой энергии на отопление зданий приведены в таблице 1.4. Нагрузки отнесены к 1 м2 отапливаемой площади за весь отопительный период.

Таблица 1.4 - Удельный расход тепловой энергии на отопление зданий в зависимости от их категории и сопротивления теплопередаче, кВт-ч/м2год Сопротивление теплопередаче здания Сопротивление теплопередаче здания является приведенной величиной, учитывающей всю оболочку здания.

Отметим, что удельные расходы тепловой энергии относятся только к отоплению и не включают расходы тепла на механическую вентиляцию.

Аналогичные расчеты выполнены для нагрузки на холодоснабжение систем кондиционирования воздуха.

В таблице 1.5 приведены удельные показатели снижения потребления холода за счет теплопотерь зданий в теплый и переходный периоды года.

Таблица 1.5 - Удельные показатели снижения потребления холода за счет теплопотерь в теплый и переходный периоды года (кВт-ч/м2год) в зависимости от категории и сопротивления теплопередаче здания

I II III

Для зданий I категории теплонапряженности величина «летних» теплопотерь составляет около 30% от «зимних», для II категории около 45% и для III – 70%.

Очевидно, что для всех категорий административных зданий экономия энергии в системах холодоснабжения весьма ощутима, и не учитывать ее при определении уровня теплозащиты ограждений было бы неправильно.

На базе данных таблиц 1.4 и 1.5 нетрудно сделать предварительный экономический анализ.

В системах отопления основой эксплуатационных затрат является тепловая энергия, в системах холодоснабжения – электрическая. В зависимости от видов оборудования и конструктивных решений систем эксплуатационная стоимость холода в 2-4 раза выше теплоты.

1,5 руб./кВт-ч.

За базовый вариант для сравнения примем административное здание с приведенным сопротивлением теплопередаче 1 (м2 оС)\Вт.

Стоимость дополнительных затрат на увеличение сопротивления теплопередаче примем ориентировочно с учетом результатов исследований В. Г. Гагарина [13].

Результаты расчетов представлены в таблице 1.6.

Таблица 1.6 - Экономические показатели сравниваемых вариантов по отношению к зданию с сопротивлением теплопередаче 1 (м2 оС)\Вт Дополнительные инвеотопление/охлаждение здания по отноСопротивление теплопе- стиционные затраты на Для I категории зданий с сопротивлением Rзд=2 (м2 оС)\Вт экономия эксплуатационных затрат на отопление – охлаждение составит 0,63 руб./м2 год, а дополнительные инвестиции на его «утепление» 160 руб./м2, соответственно для здания с Rзд = 3 (м2 оС)\Вт экономия энергии 1, руб./м2, а затраты на утепление 250 руб./м2.

Для зданий II и III категорий повышение уровня теплозащиты наружных ограждений приводит к перерасходу эксплуатационных затрат.

Таким образом, для административных зданий в климатических условиях г. Москвы экономически целесообразный уровень теплозащиты соответствует приведенному сопротивлению здания около 1 (м2 оС)\Вт, что существенно ниже рекомендаций нормативного документа [10].

Разумеется, должны быть соблюдены санитарно-гигиенические требования к наружным ограждающим конструкциям как в части температуры точки росы, так и перепада температуры воздуха и внутренней поверхности наружных ограждений.

Как повлияют наружные климатические условия на необходимость годового учета теплопотерь-теплопоступлений в кондиционируемых административных заданиях? Очевидно, что в южных районах экономика систем кондиционирования воздуха будет превалировать над затратами на системы отопления. Представляется, что и в северной климатической зоне такие оценки для административных зданий необходимы, так как определяющим фактором необходимости систем кондиционирования воздуха остаются внутренние тепловыделения, независящие от климата, а возможность снижения нагрузки на холодоснабжение за счет трансмиссионных теплопотерь дает положительный экономический эффект.

Представляется, что новый подход к оценке целесообразного уровня теплозащиты зданий следует применять не только к административным зданиям, но и к зданиям других категорий, где предусматриваются системы кондиционирования воздуха. Этот перечень охватывает торговоразвлекательные и физкультурно-оздоровительные комплексы, учреждения культуры, здравоохранения, образования. Следует обратить внимание и на жилые комплексы, оборудованные центральными системами кондиционирования воздуха.

Рассмотрим подходы к энергоэффективным зданиям, принимая во внимание всю структуру энергопотребляющих инженерных систем.

Начнем с американского примера. В 1996 г. разработчики энергоэффективного административного здания TTF, общей площадью около 1000 м2 получили престижную технологическую премию ASHRAE [11].

В таблице 1.7 приведены сравнительные показатели традиционного решения (базовый вариант) и энергоэффективного здания (TTF).

Таблица 1.7. Сравнительные показатели Сопротивление теплопередаче:

Коэффициент поглощения солнечной энергии окнами На рисунке 1.1 представлена сравнительная диаграмма структуры энергопотребления базового и энергоэффективного вариантов.

Рисунок 1.1 – Сравнение структуры энергозатрат в базовом варианте и в здании TTF.

Было достигнуто общее снижение энергопотребления более, чем на 60%. Однако, основной эффект достигнут за счет замены ламп накаливания на энергоэффективные источники света (75%).

рисунке 1.2.

Рисунок 1.2 – Сравнение стоимости (в $) Май Июнь месяцам Авг. Сен.

На диаграмме прослеживаетсяБазовый вариант ности, позволяющих в летние месяца на 25-35% понизить затраты на освещение по сравнению с зимними месяцами.

В то время как теплопоступления от электрического освещения снижают тепловую нагрузку на системы ОВК в зимнее время, в теплый период года этот фактор является неблагоприятным и увеличивает потребность в охлаждении здания. При наличии дневного света теплопоступления от искусственного освещения снижаются. Снижение теплопоступлений от освещения в здании TTF приводит к увеличению затрат на обогрев на 5% по сравнению с базовым вариантом, несмотря на большое солнечное облучение в зимнее время, а в теплый период года нагрузка на систему охлаждения снижается на 43%. Корректное оформление наружных солнцезащитных козырьков и ребер и уменьшение оконных проемов на западном и восточном фасадах здания также вносят существенный вклад в снижение нагрузки на системы ОВК. Типоразмеры оборудования для систем ОВК при этом соответственно уменьшались за счет вышеупомянутых факторов – эффективного использования дневного света и высоких теплозащитных свойств ограждающих конструкций.

В здании TTF потребность в обогреве существует только в утренние часы для компенсации ночного снижения температуры. Хотя в ночное время температура в здании по графику регулирования должна опускаться до 13°С (55 °F), фактическое снижение температуры не столь значительно. Во время утреннего обогрева температура повышается до 21°С (70 °F). После этого теплопотери здания компенсируются. В основном, внутренними тепловыделениями и теплопоступлениями от солнечной радиации.

Потребление энергии установкой кондиционирования воздуха было уменьшено за счет использования системы двухступенчатого испарительного охлаждения вместо традиционной системы централизованного или местного холодоснабжения с парокомпрессионной холодильной машиной. В сухом климате Денвера косвенная ступень установки испарительного охлаждения позволяет снизить температуру воздуха ( соответственно, по сухому и смоченному термометру) до 21°С/9°С (70 °F/49 °F) при расчетных значениях параметров наружного воздуха 35°С/15°С ( °F/59 °F). Дальнейшее снижение температуры воздуха на этапе прямого испарительного охлаждения возможно до 13 °С/9 °С (56 °F/49 °F).

Альтернативным источником холода для здания является охлажденная вода, подаваемая в систему от холодильной станции. Поскольку эта система не использовалась, водяные насосы не были установлены. Общее снижение потребления энергии насосами составило 73% по сравнению с базовым вариантом, при этом в системе остались только насосы для перекачки горячей воды.

Потребность в электроэнергии для привода вентиляторов увеличилась в связи с использованием установки испарительного охлаждения взамен традиционной системы холодоснабжения.

Однако экономия энергозатрат за счет применения такого технического решения намного более существенна.

В здании TTF использованы и другие новые элементы и решения по системам ОВК. Короткие воздуховоды позволяют уменьшить аэродинамические потери и снизить расход энергии циркуляционными вентиляторами. В помещениях установлены потолочные вентиляторы, регулируемые термостатами, обеспечивающие равномерное распределение температуры воздуха по высоте.

Используются также воздуховоздушные рекуператоры и местные воздухонагреватели с переменным расходом подаваемого воздуха, которые во многих случаях позволяют не включать систему центрального кондиционирования. Установлена единая система управления энергоснабжением для искусственного освещения и ОВК.

На рисунке 1.3 показаны эксплуатационные затраты по месяцам для здания TTF и базового варианта системы ОВК. На графике прослеживаются следующие тенденции:

­ Стоимость холодоснабжения снижается за счет использования системы испарительного охлаждения, ограничения внутренних тепловыделений и защиты от солнечного облучения.

­ Потребление энергии насосами уменьшилось, так как нет необходимости в подаче воды от холодильной станции.

­ Общая потребность тепла на обогрев здания несколько возросла, поскольку уменьшились тепловыделения от искусственного освещения.

­ Наибольшие преимущества от технических решений по использованию солнечного освещения достигаются в декабре и январе.

Рисунок 1.3 - Сравнение затрат на системы ОВК по месяцам года.

Американские специалисты рекомендуют следующий алгоритм разработки энергоэффективности зданий:

­ Разработка расчетной модели энергопотребления базового (традиционного) варианта здания.

­ Разработка характеристик влияния на энергопотребление основных факторов теплозащиты здания и систем инженерного обеспечения.

­ Предварительный анализ энергосберегающих технических решений и разработка концепции проекта здания.

­ Многовариантный анализ характеристик теплозащиты и инженерных систем на базе расчетной модели энергопотребления по критерию максимального энергосбережения.

­ Разработка стадии «проект» здания.

­ Подбор основного оборудования и анализ режимов его работы. Оценка приемлемых инвестиционных затрат.

­ Разработка рабочей документации.

­ Реализация проекта в строительстве. Авторский надзор на соответствие принятым проектным решениям.

­ Пуско-наладочные работы, обучение эксплуатационного персонала, мониторинг фактического энергопотребления.

Эти работы, так же как и аналогичные десятки проектов в других странах, были профинансированы как пилотные энергоэффективные проекты из средств национального бюджета.

Важность и значимость создания пилотных энергоэффективных зданий состоит в:

­ возможности перспективного планирования и прогнозирования тенденций массового строительства;

­ разработке моделей государственного и коммерческого регулирования потребления энергоресурсов в сфере эксплуатации зданий;

­ совершенствовании и развитии нормативно-правовой базы строительства;

­ пропаганде энергоэффективности и оздоровления окружающей среды.

Важным вопросом в оценке степени энергоэффективности зданий является выбор показателей оценки энергопотребления как в целом здания так и отдельных систем инженерного обеспечения.

Представляется, что эти показатели должны быть достаточно адекватными, чтобы характеризовать, проводить сравнения и оценки административных зданий с учетом:

­ различий климатических условий;

­ параметров объемно-планировочных решений;

Климатические условия могут характеризоваться показателем Д – градусосутки, представляющим собой интегральную сумму произведений разности температуры наружного и внутреннего воздуха на период стояния соответствующей температуры наружного воздуха в сутках за рассматриваемый период (отопительный сезон, год и др.) Параметры объемно-планировочных решений включают два показателя:

­ компактность здания – отношение общей площади внутренней поверхности наружных ограждений к заключенному в них объему;

­ обслуживаемая системами инженерного обеспечения полезная площадь здания.

Режим работы административного здания характеризуется предположительностью рабочего времени в неделю и степенью теплонапряженности внутренних тепловыделений (см. таблицы 1.1 и 1.2).

Показатели, характеризующие энергоэффективность систем инженерного 1. Удельные затраты тепловой энергии – годовые затраты на теплопотребляющие инженерные системы (отопление, вентиляция, горячее водоснабжение) отнесенные на 1 м 2 обслуживаемой площади здания. Обозначение показателя – q, его размерность – кВт-ч/м2-год.

2. Удельные затраты электрической энергии в системах жизнеобеспечения здания – годовые затраты на электропотребляющие инженерные системы (освещение, привод вентиляторов, насосов, компрессоров, электронагреватели) отнесение на 1 м2 обслуживаемой площади здания. Обозначение показателя – n, его размерность кВт-ч/м2год.

3. Приведенные удельные затраты энергии – годовые затраты тепловой и электрической энергии на энергопотребляющие инженерные системы, рассчитываемые по ценовому эквиваленту электрической и тепловой энергии. Ценовой эквивалент представляет собой отношение текущей стоимости тепловой энергии к электрической:

Обозначение показателя – э, его размерность кВт-ч/м2год.

Расчетная формула:

Введение такого показателя обусловлено следующими соображениями:

­ одни и те же виды инженерных систем могут использовать как тепловую, так и электрическую энергию (системы отопления, вентиляции, горячего водоснабжения, холодоснабжения);

­ в разных регионах страны имеют место существенные различия тарифов на тепловую и электрическую энергию.

4. Удельные расходы тепловой энергии на отдельные виды теплопотребляющих инженерных систем – годовые затраты тепловой энергии на каждый вид инженерных систем, отнесенный к 1 м2 обслуживаемой площади в кВт-ч/м2год:

­ qвент – вентиляция ­ qгвс – горячее водоснабжение.

5. Удельный расход энергии на системы наружного и внутреннего освещения nн и nвн в кВт-ч/м2-год.

6. Удельный расход электрической энергии на привод систем приточной вентиляции nпр.вент и вытяжной вентиляции nв.вент в кВт-ч/м2-год.

кВт-ч/м2-год:

­ nн.вс – систем водоснабжения и водоотведения ­ nвн.тс – систем внутреннего теплоснабжения ­ nн.от – систем отопления ­ nн.х – систем холодоснабжения.

8. Удельный расход электрической энергии на привод основного оборудования хладоцентра (холодильные машины, градирни и др.) в кВт-ч/м2год – nхц Кроме этих показателей энергоэффективности инженерных систем предлагается ввести показатели энергоемкости трубопроводных систем (отопление, водоснабжение, холодоснабжение, вентиляция), учитывающие линейные энергетические затраты на транспортировку рабочей среды.

Таким показателем может служить энергия, необходимая для транспортировки единицы объема рабочей среды соответствующими инженерными системами, выраженная в кВт-ч/м3 соответственно для:

­ eвс – систем водоснабжения;

­ eот – систем отопления;

­ eвент – систем вентиляции;

­ eх – систем холодоснабжения.

Этот показатель позволяет сравнивать между собой варианты схемных решений инженерных систем на предпроектной стадии.

Таким образом, определена система показателей энергоэффективности на 3-х уровнях:

­ отдельных инженерных систем;

­ трубопроводных сетей инженерных систем.

Система показателей позволяет проанализировать энергопотребление различных вариантов технических решений инженерных систем и оптимизировать их по критериям энергоэффективности.

На основе предложенных показателей предусмотрена разработка требований к энергоэффективности административных зданий и рекомендаций по выбору отдельных инженерных систем и параметров их работы.

Разработка схемных решений энергосберегающих систем Отопление – это искусственный обогрев помещений для поддержания в них температуры на уровне, определяемом допустимыми условиями теплового комфорта для находящихся в этих помещениях людей.

Решение поставленной задачи выполняет система отопления, представляющая собой техническую установку, состоящую из связанных между собой конструктивных элементов, предназначенных для отопления с получением, переносом и передачей определенного количества теплоты в обогреваемые помещения.

Основными элементами системы отопления являются:

Источник теплоты (котел, теплообменник при централизованном теплоснабжении);

Теплопроводы системы отопления по которым перемещается теплоноситель;

Запорно-регулирующая арматура.

Системы отопления должны удовлетворять следующим основным требованиям:

Поддерживать расчетную температуру воздуха в обслуживаемых помещениях на протяжении всего отопительного периода;

Быть безопасными для жизни и здоровья обитателей и обслуживающего персонала;

Обеспечивать сохранность здания и имущества;

Обладать надежностью, долговечностью, ремонтопригодностью;

Обеспечивать возможность регулирования воздушно-теплового режима помещений;

Соответствовать требованиям энергоэффективности.

Системы отопления должны обеспечивать переменные режимы отпуска теплоты адекватные режимам теплопотребления. Отопительные системы должны быть оборудованы системами автоматизации и учета тепловой энергии. Отопительные приборы или их группы должны быть оборудованы индивидуальными регуляторами прямого действия, как правило, автоматическими.

В зависимости от режимов эксплуатации отдельных зон и помещений следует разрабатывать алгоритм и программное обеспечение централизованного контроля и управления системами отопления из диспетчерского пункта.

Учет потребления тепловой энергии должен обеспечивать доступность и наглядность информации для потребителей и адекватное снижение платы за тепловую энергию при ее экономии.

Транзитные теплопроводы и магистрали должны иметь эффективную тепловую изоляцию.

Повышение энергоэффективности систем отопления зданий достигается за счет снижения расчетных параметров теплоносителя циркулирующего в системах отопления, а так же деление системы отопления на подсистемы по функциональным зонам с учетом:

Различия расчетных температур в обслуживаемых зонах;

Режимов эксплуатации зон;

Требований к теплоносителю;

Балансовой принадлежности зон.

Несмотря на то, что наибольшее распространение в массовом строительстве в России получили вертикальные системы отопления данные системы не дают возможности в полной мере реализовать потенциальные возможности энергосбережения.

Организация позонного учета расхода теплоносителя в этих системах сложна технически и требует больших материальных затрат.

Существенная экономия тепловой энергии и повышение уровня теплового комфорта в отапливаемых помещениях достигается при применении горизонтальных систем отопления с позонным распределением теплоносителя.

Позонные системы отопления в административных зданиях – это системы, которые могут управляться владельцами или арендаторами одной зоны, без изменения теплового режима соседних помещений и обеспечивать позонный учет расхода тепловой энергии, что должно обеспечить как повышения тепловой комфортности жилища, так и рациональный расход энергоресурсов.

Для того, чтобы сравнительно просто организовать позонный учет тепла, необходимо обеспечить один ввод в данную зону подающего и обратного трубопроводов и присоединить к ним все отопительные приборы, размещенные в данной зоне.

Горизонтальные системы могут выполняться в двух вариантах:

С кольцевой разводкой труб по периметру наружных стен;

С лучевой разводкой труб и подачей теплоносителя к каждому прибору от специального коллектора по гибким трубопроводам, проложенным в полу по кратчайшему пути.

Экономия тепловой энергии при эксплуатации рассматриваемых систем составляет 20-25% за отопительный сезон по сравнению с существующими вертикальными системами отопления.

Позонные системы отопления в многоэтажных административных строениях еще не получили достаточного распространения. Позонные системы отопления - это такие системы, которые могут управляться службой эксплуатации здания или без изменения теплового режима соседних помещений и обеспечивать позонный учет расхода тепловой энергии. Это попытка одновременного решения двух противоречивых задач - повышения тепловой комфортности жилища и энергосбережения. Актуальность решения этой задачи осознают и проектировщики, и строители, и муниципальные службы.

Для того чтобы сравнительно просто организовать позонный учет тепла, необходимо обеспечить один ввод в данную зону подающего и обратного трубопроводов и присоединить к ним все отопительные приборы, размещенные в данной зоне.

Применение позонных систем отопления по сравнению с вертикальными приводит к уменьшению протяженности магистральных труб, которые всегда имеют наибольший диаметр и, как следствие, являются наиболее дорогими. Так же это приводит к снижению потерь теплоты в необогреваемых помещениях (где проложены трубопроводы), упрощению поэтажного и посекционного ввода в здания в эксплуатацию. При этом стоимость устройства позонной системы отопления сопоставима со стоимостью стандартных схем с вертикальными стояками, однако срок службы такой системы примерно в 2 раза выше за счет применения труб из термостойких полимерных материалов. Таким образом, использование данной схемы экономически целесообразнее.

Параметры теплоносителя для систем позонного отопления в зависимости от источника тепла, типа используемых труб и способа их прокладки приведены в таблице 2.1.

Таблица 2.1 – Параметры теплоносителя для систем позонного отопления Система отопления С отопительными приборами и трубопроводами из стальных и медных не > 95 80-65*80-60* С отопительными приборами и трубопроводами, выполненными часне > 90 80-65*80-60* тично или полностью из полимерных или металлополимерных труб С нагревательными змеевиками (в В системах позонного отопления административного или офисного здания параметры теплоносителя должны быть одинаковые для всех зон.

При техническом обосновании или по заданию заказчика допускается принимать температуру теплоносителя системы позонного отопления одной из зон ниже принятой для системы отопления здания. При этом должно быть обеспечено автоматическое поддержание заданной температуры теплоносителя.

Для гидравлической увязки отдельных веток позонной двухтрубной системы отопления у всех отопительных приборов или группы отопительных приборов устанавливаются клапаны с предварительной настройкой.

Для гидравлической устойчивости системы отопления здания предусматривается установка балансировочных клапанов на магистральных вертикальных стояках для каждой части здания, секции, а также у каждого поэтажного распределительного коллектора.

В зданиях с системами позонного отопления следует предусматривать установку в ИТП закрытого расширительного бака и фильтра для системы здания при теплоснабжении от тепловых сетей или автономного источника тепла.

Трубопроводы позонной системы отопления могут выполняться из стальных, медных, термостойких полимерных или металлополимерных труб. В системах отопления с трубопроводами из полимерных или металлополимерных труб параметры теплоносителя (температура и давление) не должны превышать предельно допустимые значения, указанные в технической документации на их изготовление. При выборе параметров теплоносителя следует учитывать, что прочность полимерных и металлополимерных труб зависит от рабочей температуры и давления теплоносителя.

При уменьшении температуры и давления теплоносителя ниже максимально допустимых значений увеличивается коэффициент безопасности и соответственно срок эксплуатации труб. Трубопроводы систем позонного отопления, как правило, прокладываются скрыто: в штробах, в конструкции пола. Допускается открытая прокладка металлических трубопроводов. При скрытой прокладке трубопроводов в местах расположения разборных соединений и арматуры следует предусматривать люки или съемные щиты для проведения осмотра и ремонта.

При расчете отопительных приборов в каждом помещении следует учитывать не менее 90% поступающей теплоты от трубопроводов, проходящих по помещению. Потери теплоты за счет остывания теплоносителя в неизолированных открыто проложенных горизонтальных трубопроводах принимаются по справочным данным. Тепловой поток открыто проложенных труб учитывается в пределах:

90% при горизонтальной прокладке труб у пола;

70-80% при прокладке горизонтальных труб под потолком;

85-90% при вертикальной прокладке труб.

Тепловая изоляция предусматривается для трубопроводов, прокладываемых в штробах наружных стен, в шахтах и в неотапливаемых помещениях, на участках пола с близким размещением четырех и более труб в полу, обеспечивая допустимую температуру на поверхности.

Позонные системы отопления, с одной стороны, обеспечивают наиболее комфортные условия для работы, удовлетворяющие потребителя, а с другой стороны, позволяют регулировать теплоотдачу отопительных приборов в каждой зоне с учетом режима нахождения там людей, необходимости снижения затрат на оплату за отопление и т. д.

В здании с позонными системами отопления предусматривается учет расхода теплоты зданием в целом, а также раздельно каждой зоной и помещениями общественного и технического назначения, расположенными в этом здании.

Для учета расхода теплоты каждой зоны могут предусматриваться: счетчики расхода теплоты для каждой позонной системы; распределители тепла испарительного или электронного типа на каждом отопительном приборе; счетчик расхода теплоты на вводе в здание. При любом виде приборов учета теплоты в оплату должны включаться общие расходы тепла на здание (отопление лестничных клеток, лифтовых холлов, служебных и технических помещений).

Наиболее распространены две схемы позонного отопления: лучевая и периметральная.

2.1 Схемные решения горизонтальных периметральных систем отопления Горизонтальная двухтрубная система отопления с разводкой в полу имеет ряд преимуществ перед системами отопления с вертикальными стояками. Применение позонной системы позволяет:

Отключать только одну зону, например, в случае аварии или при необходимости ремонта или замены отопительных приборов;

Отрегулировать систему отопления одной квартиры независимо от других зон;

Осуществлять индивидуальное проектирование системы отопления каждой зоны в зависимости от пожеланий арендаторов;

Установить позонные теплосчетчики и перейти на оплату фактически потребленной тепловой энергии по показаниям данных теплосчетчиков.

Можно отказаться от уродующих интерьер стояков и горизонтальных подводок. Как правило, в современных радиаторах используется нижний присоединительный узел к прибору мультифлекс. Современные отопительные приборы стали предметом интерьера и могут устанавливаться на внутренних стенах.

В периметральной схеме (рисунок 2.1) трубы, как правило, укладываются в лотках и могут обслуживаться. В этом случае могут быть использованы не только металлополимерные (полимерные) трубы, но и обыкновенные стальные.

В периметральной схеме отопительные приборы гидравлически более зависимы, но эта схема требует меньшего количества труб и обладает лучшей ремонтопригодностью.

В общественной зоне вводы объединяются коллекторами в приборном щите с счетчиками тепла. Приборные щиты всех этажей объединены подающим и обратными стояками системы отопления, связанными через общедомовой узел учета тепла с теплосетью.

Рисунок 2.1 - Периметральная схема системы отопления 1 - отопительный прибор; 2 - счетчик позонного учета расхода воды 2.2 Схемные решения горизонтальных лучевых систем отопления Лучевая схема реализуется с помощью трубопроводов, укладываемых в стяжку «чистого»

пола. Каждый из отопительных приборов присоединяется к подающему и обратному коллекторам (манифолдам) и регулируется автономно.

В лучевой схеме отопительные приборы гидравлически независимы, но эта схема требует гораздо большего количества труб, а в связи с этим находит применение при небольших размерах зон.

В связи с необходимостью прокладки большого количества труб на практике лучевая схема применяется, в основном, в жилых зданиях для отопления отдельных квартир и практически не применяется для отопления административных и офисных зданий.

1 - отопительный прибор; 2 - счетчик позонного учета расхода воды ООО «НПО Термэк» разработало комбинированную позонную периметрально-лучевую систему отопления. Она используется в офисной части высотного многофункционального комплекса «Меркурий Сити Тауэр», расположенном в ММДЦ «Москва Сити» на участке 14.

Офисные помещения класса А+ в данном здании располагаются с 4 по 40 этаж здания. 14 и 41 этаж здания является техническим.

Система отопления 4-13 этажей запитана от индивидуального теплового пункта расположенного на -1 этаже здания.

Система отопления 15-40 этажей запитана от индивидуального теплового пункта расположенного на 14 этаже здания.

Верхняя часть офисных этажей (15-40) этажей гидравлически разделена по высоте на две зоны. 15-24 этаж и 25-40 этаж.

Каждая зона обслуживается двумя парами стояков (подающий и обратный).

На каждом этаже установлены две распределительные гребенки На этажах каждая распределительная гребенка обслуживает две-три зоны. Трубопроводы от гребенки отопления до фасада здания прокладываются по лучевой схеме в подготовке пола.

Разводка по зонам осуществляется по периметру здания. Деление на зоны определяется исходя из предполагаемой «нарезки» помещений для сдачи их в аренду, что бы обеспечить возможность каждому арендатору иметь независимый от других арендаторов контур отопления.

Пример плана офисного этажа с системой отопления представлен на рисунке (рисунок 2.3) Данная схема сочетает достоинства периметральной и лучевой систем:

Возможность зонального регулирования тепловой нагрузки с учетом пофасадного регулирования;

Возможность позонного регулирования расхода тепловой энергии.

Повышение уровня надежности и ремонтопригодности (при отказе системы отопления авария локализуется только в одной зоне).

Рисунок 2.3 - План типового офисного этажа здания «Меркурий Сити Тауэр» (ММДЦ Москва-Сити, уч. 14) 2.3 Схемные решения узлов регулирования теплоотдачи отопительных приборов и зональных узлов коммерческого учета тепла Теплопотребности помещений, выявленные в расчетных условиях, определяют площадь отопительных приборов. Площадь является постоянной характеристикой каждого установленного прибора. Между тем известно, что расчетные условия наблюдаются при отоплении зданий далеко не всегда. В течение отопительного сезона изменяется температура наружного воздуха, на здания эпизодически воздействуют ветер и солнечная радиация, тепловыделения в помещениях неравномерны. Поэтому для поддержания теплового режима помещений на заданном уровне необходимо в процессе эксплуатации регулировать теплопередачу отопительных приборов.

Эксплуатационное регулирование теплового потока отопительных приборов может быть качественным и количественным.

Качественное регулирование достигается изменением температуры теплоносителя, подаваемого в систему отопления. Качественное регулирование по месту осуществления может быть центральным, проводимым на тепловой станции, и местным, выполняемым в тепловом пункте здания.

Местное качественное регулирование должно дополнять центральное, которое проводится с ориентацией на некоторое обезличенное здание в районе действия станции. Кроме того, оно может нарушаться по различным причинам, в том числе из-за необходимости обеспечивать нагревание воды в системе горячего водоснабжения. При местном регулировании учитывают особенности каждого здания, системы отопления и даже ее отдельной части.

Количественное регулирование теплопередачи приборов осуществляется изменением количества теплоносителя (воды или пара), подаваемого в систему или прибор. По месту проведения оно может быть не только центральным и местным, но и индивидуальным, т.е. выполняемым у каждого отопительного прибора.

В системах водяного отопления центральное и местное качественное регулирование также дополняется индивидуальным количественным регулированием теплопередачи каждого прибора.

При индивидуальном количественном регулировании теплопередача водяного прибора изменяется вследствие изменения средней температуры воды в нем.

Таким образом, в процессе эксплуатации водяных систем отопления осуществляется — качественно-количественное регулирование теплопередачи приборов.

Эксплуатационное регулирование теплопередачи приборов может быть автоматизировано.

Местное автоматическое регулирование в тепловом пункте здания обычно проводят, ориентируясь на изменение температуры наружного воздуха (этот способ регулирования называют «по возмущению»). Индивидуальное автоматическое регулирование теплопередачи прибора происходит при отклонении температуры воздуха в помещении от заданного уровня (регулирование «по отклонению»).

Для индивидуального автоматического регулирования применяют регуляторы температуры прямого и косвенного действия. Принцип работы регулятора прямого действия основан на изменении объема среды при повышении или понижении ее температуры. Изменение объема среды — термореактивного материала (например, резины) непосредственно вызывает перемещение клапана регулятора в потоке основного теплоносителя. В регуляторах косвенного действия обычно используется электрическая энергия для нагревания термобаллона уменьшенного объема, который, в свою очередь, связан со штоком регулирующего клапана. В одной из конструкций регуляторов термобаллон — сильфон частично наполнен легкоиспаряющейся жидкостью. Если давление паров жидкости в сильфонной камере изменяется, то возникающее растяжение и сжатие сильфона вызывает перемещение клапана регулятора. В других конструкциях электрическая энергия используется для управления соленоидным вентилем двухпозиционного действия.

Для индивидуального ручного регулирования теплопередачи приборов служат краны и вентили. Ручное регулирование теплопередачи радиаторов и конвекторов эффективно в том случае, когда доля отключаемой нагревательной поверхности составляет не менее 0,5.

Конструкцию регулирующего крана выбирают в зависимости от вида системы водяного отопления. В двухтрубных системах применяют краны индивидуального регулирования, отвечающие двум требованиям: они имеют повышенное гидравлическое сопротивление и допускают проведение монтажно-наладочного (первичного) и эксплуатационного (вторичного) количественного регулирования. Эти краны называют кранами «двойной регулировки».

Термостатирование отопительных приборов – наиболее простой, надежный, недорогой и принятый во всем мире способ регулирования теплопотребления и поддержания расчетной (или желаемой) температуры воздуха в отапливаемом помещении. Это и есть главный источник энергосбережения в современной системе отопления, способ создания необходимого уровня комфорта в помещении. Термостатический вентиль на отопительном радиаторе легко и наглядно можно сравнить с электрическим выключателем осветительного прибора в помещении. Мы включаем и выключаем свет по мере надобности, при этом никому и в голову не приходит идея отказаться от выключателя с целью экономии на его стоимости. Подача тепла на отопление также должна осуществляться по мере потребности в нем, при этом уровень этой потребности определяется индивидуально.

Термостатические регулирующие вентили являются обязательным элементом любой современной системы отопления, ключевым звеном ее индивидуального регулирования. Рассмотрим более подробно конструкции и функционирование этого устройства.

Термостатический вентиль обычно устанавливается в подающем трубопроводе каждого отопительного радиатора и оптимальным образом регулирует пропуск теплоносителя, что позволяет достичь наилучших показателей теплоотдачи каждого отопительного прибора в зависимости от температуры воздуха в помещении. Конструкция термостатического вентиля представлена на рисунок 2.4. Он состоит из собственно вентиля и термостата, соединенных между собой. В корпусе находится чувствительный элемент, представляющий собой термобаллон, заполненный жидкостью или газом с высоким коэффициентом объемного расширения. Под действием температуры воздуха в помещении происходит сжатие или расширение сильфона термобаллона, который воздействует на шток, закрывая или открывая клапан вентиля.

Обычный комнатный термостат может быть легко настроен вручную по делениям шкалы для поддержания температуры в помещении на любом уровне в диапазоне от 7 до 28 С. Если установить термостат на нулевую отметку шкалы настройки, он полностью перекрывает подачу теплоносителя. Таким образом термостатический вентиль обеспечивает соответствие теплоотдачи радиаторов (количество теплоносителя) сиюминутной теплопотребности помещения.

Возможности для индивидуальной экономии здесь очень велики. Например, если желаемая температура помещения составляет 20 С, то термостат устанавливается на соответствующую настройку по рабочей характеристике в зависимости от температуры подачи. Если за счет теплопоступлений в помещение температура повышается до 21 С, термостатический вентиль закроется примерно на 50 % от соответствующего значения при 20 С, а при 22 С закроется полностью (пропорциональное отклонение 2 К). До тех пор пока температура в помещении не упадет ниже С, подача теплоносителя будет перекрыта.

Рисунок 2.4 - Устройство термостатического вентиля.

В административных и офисных помещениях зачастую используются термостатические вентили с выносными, накладными датчиками, термостаты с таймерами, термоэлектрическими или сервомоторными приводами. В условиях, получившей сейчас большое распространение, организации рабочего пространства (большие открытее зоны – open space) в одном помещении располагается несколько отопительных приборов. Использование такого типа термостатических вентилей позволяет подключить к одному датчику несколько приборов отопления. Так же это позволяет оптимизировать и дополнительно автоматизировать системы отопления.

Узел коммерческого учета тепла — это комплект приборов и устройств, обеспечивающий учет тепловой энергии и массы (объема) теплоносителя, а также регистрацию его параметров.

Внедрение позонного коммерческого учета теплоснабжения необходимо для проведения расчетов арендаторов с арендодателем по фактическим тепловым нагрузкам — на основе показаний теплосчетчиков и расходомеров.

При отсутствии коммерческого учета оплата производится по расчетным нагрузкам. Установка узла позволяет снизить расходы на теплоснабжение в среднем на 30—40%.

Узел коммерческого учета позволяет организовать учет и регистрацию отпуска и потребления тепловой энергии, а также обеспечивает ряд дополнительных преимуществ, среди которых:

высокая точность учета количества тепла и расхода теплоносителя и возможность осуществления взаимных финансовых расчетов между арендаторов с арендодателем;

рациональное использование тепловой энергии и теплоносителя;

контроль за тепловыми и гидравлическими режимами работы систем теплоснабжения и теплопотребления;

различные операционные удобства при эксплуатации;

передача данных по интерфейсам RS-232 и RS-485 (с возможностью объединения в сеть различных узлов);

регистрация нештатных ситуаций в работе системы теплоснабжения и автоматический самоконтроль.

Узлы позонного учета тепла предназначены для измерения и регистрации тепловых параметров в горизонтальных позонных системах отопления.

Тепловой счетчик устанавливается перед раздающей гребенкой каждой зоны отопления (рисунок 2.5) или непосредственно на подающем трубопроводе каждой отдельной зоны (рисунок 2.6). Оборудование максимально адаптируется к системе отопления: можно выбирать типоразмер датчика расхода, имеется выбор соответствия токовых или частотных выходных сигналов измеряемым параметрам.

Рисунок 2.5 - Узел регулирования и учета тепла для двухтрубной системы применяемый в административном здании «Меркурий Сити Тауэр» (ММДЦ Москва-Сити, уч. 14) Рисунок 2.6 - Узел подключения распределительных гребенок отопления с телосчетчиками в здании «Меркурий Сити Тауэр»

Узлы учета тепла осуществляют автоматическую самодиагностику и автокалибровку, отслеживают нарушения работы системы теплоснабжения и собственных узлов, а также время отключения питания прибора от сети, что препятствует несанкционированному вмешательству в процесс учета тепловой энергии.

Теплосчетчик, входящий в состав узла, фиксирует во внутренней памяти часовые значения параметров системы теплоснабжения за последний месяц и суточные значения за последний год работы узла. Время хранения статистической информации не ограничено.

Теплосчетчик имеет выход стандартного последовательного интерфейса RS-232 для подключения к компьютеру, печатающему устройству, модему или специальному адаптеру для снятия накопленной информации.

Теплосчетчик в составе узла учета измеряет, вычисляет и фиксирует следующие параметры системы теплоснабжения:

расход теплоносителя в трубопроводах в м3/ч, (т/ч);

суммарное потребление тепловой энергии в ГКал (нарастающим итогом);

суммарные объем (м3) и массу (т) теплоносителя, протекающего по трубопроводам (нарастающим итогом);

тепловую мощность в Гкал;

температуру теплоносителя в подающем и обратном трубопроводах, а также в трубопроводе холодного водоснабжения;

разность температур в трубопроводах;

среднечасовые и суточные значения перечисленных выше параметров теплоносителя.

Установка теплосчетчиков не относится к энергосберегающим мероприятиям, однако оплата фактически потребленной тепловой энергии является мощным стимулом, заставляющим проводить мероприятия и устанавливать наиболее экономичные параметры микроклимата.

Современные административные здания характеризуются значительными внутренними теплопоступлениями, которые в рабочее время могут достигать 40-60 Вт/м2. В это время современная система отопления автоматически снижает отпуск тепла. Термостаты отопительных приборов следует настраивать на +18 оС. К концу рабочего дня во многих случаях температура воздуха в рабочих помещениях повышается до +23 24 оС, а благодаря теплоустойчивости помещений температура воздуха за ночной период не снижается ниже +18 оС и нет необходимости включать систему отопления. Утром за счет внутренних теплопоступлений и включения системы приточной вентиляции с температурой подачи воздуха +20 оС температура воздуха в помещении за короткое время восстанавливается до комфортных +20 оС.

При традиционном проектировании и эксплуатации терморегуляторы отопительных приборов устанавливаются на +22 24 оС, что приводит к перерасходу тепловой энергии за отопительный период на 10 12 %.

В период выходных дней, перерывы в рабочем цикле эксплуатации помещений достигают 50 60 часов. На этот период предлагается следующий энергосберегающий алгоритм управления системами отопления:

Перевод термостатических регуляторов отопительных приборов на рабочую температуру +10 оС.

Перевод за 6 8 часов (в зависимости от теплоустойчивости здания) до начала работ системы отопления в режим «натопа» с восстановлением температуры воздуха до +18 оС.

Этот алгоритм по сравнению с традиционными решениями позволяет экономить дополнительно 8 10 % тепловой энергии.

2.4 Схемные решения теплоснабжения систем вентиляции Неотъемлемой частью систем приточной вентиляции является система теплоснабжения.

Система теплоснабжения обеспечивает подогрев наружного воздуха в холодный период года до расчетной температуры.

В современных зданиях, как правило, теплоснабжение систем вентиляции происходит от индивидуальных тепловых пунктов по независимой схеме.

Теплоснабжение системы вентиляции осуществляют по закрытой схеме через калорифер.

При этом применяют различные схемы обвязки калориферов. Преимущество отдают схеме с постоянным гидравлическим режимом, создавая постоянный поток теплоносителя через калорифер и уменьшая таким образом опасность его замораживания, а также обеспечивая лучшие условия контроля температуры воздуха. При необходимости перед калорифером снижают температуру теплоносителя:

для предотвращения разрушения калорифера, если его рабочая температура ниже температуры теплоносителя в теплосети;

для уменьшения погрешности регулирования температуры воздуха вследствие неравномерности прогрева калорифера.

Снижают температуру теплоносителя регулятором теплового потока воспринимающим температуру от датчиков температуры воздуха за калорифером, а также внутри помещения и воздействующим на двухходовой или трехходовой клапан. Главная задача обоих проектных решений заключается в обеспечении линейности регулирования тепловым потоком калорифера, т. е. чтобы этот поток изменялся пропорционально ходу штока клапана регулятора теплового потока. Чаще всего достигают такого результата применением у калорифера:

дополнительного насоса;

дополнительного автоматического регулятора гидравлических параметров (регулятор перепада давления либо регулятор расхода, либо комбинированный клапан).

Такими проектными решениями создают обособленные регулируемые участки с индивидуальными гидравлическими режимами, в пределах которых выбирают приемлемое решение по регулированию калорифером за счет соответствующего искривления расходной характеристики клапана регулятора теплового потока.

Схемы присоединения калориферов с использованием трехходовых клапанов показаны на рисунке 2.7.

Схему на рисунке 2.7 а применяют для снабжения калорифера 1 постоянным расходом теплоносителя VAB. Общий расход теплоносителя VAB в трехходовом клапане 2 равен сумме расходов в прямом VA и перпендикулярном VB каналах. Регулирование теплового потока калорифера при этом осуществляют качественно: изменением температуры подаваемого теплоносителя. Требуемую температуру теплоносителя перед калорифером достигают путем перемещения штока трехходового клапана. В зависимости от расхода VA сетевой воды и подмешиваемой воды с расходом VB после калорифера изменяют пропорцию и температуру смеси теплоносителя. Расход VA изменяется от нуля до VAB.

а – на смешивание в подающем трубопроводе; б – на разделение в подающем трубопроводе;

Если по условиям эксплуатации источника теплоты необходимо поддерживать расход в магистральном трубопроводе на постоянном уровне, то устанавливают трехходовой клапан по схеме на рис. 3.7 б. В этом случае клапан работает на разделение потоков, а расход теплоносителя VB в калорифере будет изменяться от нуля до VAB. Постоянный расход в магистрали обеспечивают также с использованием смешивающего трехходового клапана, установленного по схемам на рис.

3.7 в, г, если допустимо повышать температуру «обратки». Эти схемы имеют некоторое преимущество, заключающееся в предпочтительной работе клапанов на обратном трубопроводе с охлажденным теплоносителем. С этой же целью на обратном трубопроводе могут устанавливать и насосы.

Гидравлическую увязку ответвлений к калориферам осуществляют регулятором перепада давления 3, гася им избыточное давление перед трехходовым клапаном. Либо регулятором расхода 4. В этих случаях необходимость в ручном клапане 6 отпадает, т. к. ответвления будут уравновешены автоматически. Уравновешивание гидравлического сопротивления циркуляционных колец через калорифер и через обводной участок осуществляют либо изменением диаметра трубопроводов, либо регулирующим клапаном 5, устанавливаемым на обводном участке. Возможен также вариант с установкой такого клапана и в циркуляционном кольце калорифера. Этим клапаном, при необходимости, подстраивают расходную характеристику трехходового клапана (для потока через калорифер) под характеристику калорифера для обеспечения линейности регулирования его тепловым потоком, а клапаном на обводном участке подстраивают расходную характеристику (для потока через обводной участок) трехходового клапана для обеспечения постоянства расхода теплоносителя во всем узле. Иначе, без балансировки обводного участка, гидравлическое сопротивление всей ветви и расход в ней могут быть переменными, а не постоянными.

При корректировании расходной характеристики трехходового клапана следует учитывать, что внешние авторитеты клапана относительно его каждого прохода соотносят к разным регулируемым участкам. Если перед калорифером нет регулятора перепада давления или регулятора расхода, то регулируемым участком с одной стороны является вся теплосеть, и трехходовой клапан работает как двухпозиционный. В этом случае при прохождении штока клапана через среднее положение возникают значительные отклонения (до 2-х раз) суммарного расхода теплоносителя в узле обвязки калорифера. Предотвращают такую неэффективную работу трехходового клапана регулятором перепада давления 3 либо регулятором расхода 4, который устанавливают на ответвлении к калориферу. Основным требованием стабилизации суммарного расхода при работе трехходового клапана является обеспечение в обоих циркуляционных контурах, проходящих через него, примерно равных гидравлических условий.

Улучшение стабильности теплоснабжения калорифера получают в схемах на рис. 3.8 с разделением циркуляционных контуров при помощи замыкающего участка: на первичный контур (обозначен пунктирной линией) с источником теплоты и на вторичный контур (обозначен штрихпунктирной линией) с калорифером. Сопротивление замыкающего участка создают как можно меньшим. Однако даже в этом случае достигают лишь примерно постоянного гидравлического режима циркуляционного кольца, проходящего через калорифер. Применяя эти схемы, следует иметь ввиду, что участок обратного трубопровода, который расположен между обводным и замыкающим участками, подвержен насосному влиянию от первичного и вторичного контуров при перекрытии трехходового клапана на проход к калориферу. В таком случае преобладающее влияние на циркуляцию теплоносителя в рассматриваемом участке оказывает гравитационное давление, образующее нежелательное возвратное течение, оказывающее отрицательное влияние на регулирование температуры теплоносителя. Устраняют это влияние двумя способами: увеличением расстояния между замыкающим и обводным участками рис. 3.8 б, либо образованием гидравлической петли рисунке 2.8 в. И в том, и в другом случаях создают гидравлическое сопротивление трубопроводов в противовес гравитационному давлению.

Рисунок 2.8 - Разделение системы теплоснабжения на гидравлические контуры:

По аналогичным схемам на рисунках 2.7 и 2.8 устанавливают трехходовые поворотные клапаны. Безусловно, при таком проектном решении идеальное регулирование тепловым потоком калорифера недостижимо. Поэтому трехходовой поворотный клапан применяют лишь в системе, к которой требование по регулированию тепловым потоком калорифера не является определяющим, и у которой допускается незначительная протечка теплоносителя через клапан. К такой системе относят, например, систему теплоснабжения калорифера тепловой завесы.

В традиционной отечественной практике проектирования применение циркуляционного насоса в системе теплоснабжения калорифера является новым подходом, который не всегда воспринимается, как энергоэффективный. Поэтому осуществляют поиск более дешевого варианта с устранением возможного шумообразования и снижением затрат электроэнергии на насос. Одним из вариантов является использование гидроэлеватора. Однако при этом не рассмотрена совместная работа системы теплоснабжения калорифера, имеющей постоянный гидравлический режим, и системы отопления, имеющей переменный гидравлический режим. Для совмещения этих режимов перед гидроэлеватором необходимо дополнительно устанавливать регулятор расхода, стоимость которого сопоставима со стоимостью циркуляционного насоса. Кроме того, наличие гидроэлеватора заставляет поддерживать повышенный перепад давления в теплосети, затрачивая ту же электроэнергию на работу сетевых насосов. В итоге, происходит перенос затрат электроэнергии с теплового пункта на теплосеть, что с учетом потерь энергии при транспортировке теплоносителя делает предлагаемое проектное решение экономически неоправданным.

В зарубежной практике проектирования снижение затрат электроэнергии на работу насоса получают в системе теплоснабжения калорифера с переменным гидравлическим режимом. При этом используют автоматически регулируемый насос, поскольку он работает на полную мощность кратковременно: лишь в самые холодные дни отопительного периода. Однако система с переменным гидравлическим режимом имеет один основной недостаток, ограничивающий ее применение.

Он заключается в риске замораживания калорифера при отсутствии циркуляции теплоносителя, т.

е. при закрытом клапане регулятора теплового потока. Поэтому такие системы теплоснабжения калориферов применяют в системах воздушного отопления с полной либо частичной рециркуляцией внутреннего воздуха, либо других системах при обеспечении температуры смеси с наружным воздухом перед калорифером выше температуры кристаллизации теплоносителя в нем.

Наиболее простые и надежные проектные решения узлов обвязки калориферов в системах с переменным гидравлическим режимом, представлены на рисунке 2.9. Недостатком схемы на рисунке 2.9 а является незащищенность клапана регулятора теплового потока от влияния переменного гидравлического режима системы отопления. При перекрытии терморегуляторов на отопительных приборах системы отопления либо регулятора теплового потока по погодным условиям в тепловом пункте возрастает развиваемое давление насоса и изменяется внешний авторитет клапана регулятора теплового потока перед калорифером, что требует соответствующей автоматической корректировки положения его штока.

Рисунок 2.9 - Обвязка калориферов в системе с переменным гидравлическим режимом:

а – двухходовым клапаном; б – двухходовым клапаном и регулятором перепада давления;

Полного устранения влияния колебания давления теплоносителя перед калорифером достигают в схемах на рисунке 2.9 б, в. В схеме на рисунке 2.9 б регулятором перепада давления обеспечивают внешний авторитет клапана регулятора теплового потока, равный единице. В этих условиях клапан регулятора теплового потока поддерживает расходную характеристику в любом положении штока, соответствующую данным производителя. Кроме того, регулятор перепада давления совместно с регулятором теплового потока выполняют функцию ограничения максимального расхода теплоносителя через калорифер. Для этого автоматически поддерживаемый регулятором перепад давления должен соответствовать потерям давления на регуляторе теплового потока при расчетном расходе теплоносителя.

Конструктивным упрощением схемы на рисунке 2.9 б с выполнением тех же функций является схема на рисунке 2.9 в с использованием комбинированного клапана, который объединяет функции регулирующего клапана и балансировочного клапана (регулятора перепада давления).

Такая схема в настоящее время за рубежом наиболее предпочитаема, т. к. в большинстве случаев обеспечивает эффективную работоспособность системы, невзирая на огрехи в проектировании, монтаже и эксплуатации, что предает уверенности проектировщику в правильности принятого решения.

Основные моменты, на которые следует обращать внимание при проектировании систем теплоснабжения вентиляции это:

Осуществление теплоснабжение калориферов при наличии вероятности их замораживания по схемам с постоянным гидравлическим режимом.

Проектное обеспечение работоспособности трехходовых клапанов в системах теплоснабжения калориферов во всех эксплуатационных режимах.

Направления повышения энергоэффективности систем отопления Основные направления повышения энергоэффективности систем отопления, а также потенциал энергосбережения от данных мероприятий сведены в таблицу.

Таблица 2.2 - Основные направления повышения энергоэффективности систем отопления, а также потенциал энергосбережения от данных мероприятий №№ Энергосберегающие решения Применение горизонтальных Устранение перетопов в отдельпериметральных и лучевых сис- ных зонах тем отопления Внедрение алгоритма суточного Сокращение суточного потребрегулирования систем отопле- ления тепловой энергии за счет Внедрение алгоритма недельно- Сокращение потребления теплого регулирования систем ото- вой энергии в выходные дни за Снижение параметров теплоно- Сокращение транзитных теплосителя в системах отопления потерь Листы 1-3, 7 Приложения А к научно-техническому отчету содержат техническую документацию на энергосберегающие системы отопления и теплоснабжения..

3. Разработка схемных решений энергосберегающих систем вентиляции и кондиционирования воздуха Одними из основных инженерных систем обеспечения комфортного режима административных зданий являются системы вентиляции и кондиционирования.

Обычно в любых помещениях за счет неплотности окон, дверей и прочих ограждений всегда происходит инфильтрация наружного воздуха, то есть происходит естественный воздухообмен, который принято называть неорганизованным. Вентиляция представляет собой организованный воздухообмен с применением различных технических средств — приточно-вытяжных установок, вентиляторов, систем чиллер-фанкойлы и так далее.

Системы вентиляции предназначены для удаления вредных веществ, образующихся в закрытом помещении - углекислого газа, пыли, и др. и притока свежего воздуха. Соответственно вентиляционные установки разделяют на вытяжные и приточные.

На сегодняшний день проблемы сбережения энергетических ресурсов являются одними из наиболее актуальных.

Наиболее простой способ энергосбережения в системах вентиляции и кондиционирования – это рециркуляция: часть воздуха, удаляемого из помещения, смешивается с наружным (приточным). Однако применение рециркуляции ограничено нормативными документами и не всегда возможно, поэтому для энергосбережения применяют различные виды теплоутилизаторов (теплообменников), в которых происходит передача тепла от удаляемого (вытяжного) воздуха наружному (приточному).

Установки могут оснащаться четырьмя различными типами теплообменников:

- вращающимся роторным теплообменником;

- пластинчатым перекрестноточным теплообменником;

со связанными змеевиками (с промежуточным теплоносителем); применяется там, где необходимо полное разделение приточной и вытяжной установок. Теплообменники соединены системой труб с насосом, который осуществляет циркуляцию смеси воды и гликоля;

с тепловыми трубками.

Применение любого из четырех современных теплообменников гарантирует значительное снижение потребления энергии и уменьшает эксплуатационные расходы.

В центральных системах кондиционирования существенно упрощается проблема энергосбережения. Во-первых, чем мощнее оборудование, тем выше его теплотехническая эффективность. Во-вторых, централизация притока и вытяжки значительно облегчает утилизацию тепла, то есть использование энергии удаляемого из помещений воздуха для подогревания (охлаждения) подаваемого снаружи. И, что очень важно, централизация приготовления воздуха приводит, кроме сбережения энергии, к значительному продлению срока службы оборудования.

Также значительную экономию энергоресурсов дает применение систем вентиляции с переменным расходом воздуха и гибридные системы вентиляции.

Вентиляционные системы с переменным расходом воздуха предназначены для создания комфортного микроклимата на объектах, в помещениях которого требования к температуре внутреннего воздуха различны. Преимуществами таких систем вентиляции являются экономичность (сравнительно низкое потребление электроэнергии), сравнительно небольшая стоимость приобретения вентиляционной системы, возможность контроля влажности.

В настоящее время все более широкое распространение получают энергоэкономичные VRF-системы кондиционирования (VRF — variable refrigerant flux). Здесь поддержание индивидуальных температурных параметров достигается, с одной стороны, переменным количеством циркулирующего в системах холодильного агента, с другой — наличием в них устройств, позволяющих с использованием рекуператоров транспортировать теплоту из охлаждаемых помещений в нагреваемые. Принцип работы этих систем: расход хладагента через теплообменник внутреннего блока плавно меняется в зависимости от тепловой нагрузки благодаря электронному расширительному клапану и инвертеру. При этом все внутренние блоки работают либо в режиме охлаждения, либо в режиме нагревания.

Дальнейшим развитием мультизональных систем является так называемая система с утилизацией тепла, в которой различные внутренние блоки могут работать одновременно в режиме охлаждения и обогрева. В этом случае тепло, отводимое от одних помещений, например компьютерных залов, используется для обогрева других, например офисных помещений. Конструктивно в этих системах наружный блок соединяется с группой внутренних не напрямую, а через специальные устройства переключения режимов.

3.1 Утилизация теплоты вытяжного воздуха для подогрева приточного В последние годы практически все административные и офисные здания оборудуются системами приточно-вытяжной вентиляции с использованием утилизаторов теплоты вытяжного воздуха. Высокие цены на тепло- и электроэнергию не только делают их использование выгодным для владельцев зданий, но и позволяют достичь приличного энергосбережения в масштабах страны.

Одним из источников вторичных энергоресурсов в здании является тепловая энергия воздуха, удаляемого в атмосферу. Расход тепловой энергии на подогрев поступающего воздуха составляет 40...80% теплопотребления, большая ее часть может быть сэкономлена в случае применения так называемых теплообменников-утилизаторов.

Рекуператоры являются логическим дополнением к вентиляционным системам, используемым на крупных объектах. Однако для систем более скромного масштаба (с воздухообменом менее одной тысячи кубометров в час) затраты на приобретение, монтаж и обслуживание теплообменной установки, как правило, окупается слишком медленно и специалисты не советуют заказчикам закладывать подобное оборудование в небольшие проекты с ограниченным бюджетом. То есть, применение утилизаторов тепла в установках с расходом до одной тысячи кубометров в час в большинстве случаев не оправдано. Ведь экономия энергии порядка 15% при удорожании установки в два раза и при увеличении ее габаритных размеров не является существенной. Как отмечают разработчики ведущих мировых производителей подобного оборудования, нужны совершенно иные технологические подходы, технологические решения для устранения экономических противоречий в этом случае.

Воздухообмен производится следующим образом. Постоянно работающая приточновытяжная вентиляционная установка обеспечивает удаление воздуха из помещений, где выделяются теплоизбытки, влага и запахи. Загрязненный воздух выбрасывается на улицу через наружные решетки или в вытяжные каналы. Свежий приточный воздух фильтруется, подогревается в рекуператоре за счет тепла от вытяжного воздуха и подается по системе воздуховодов в помещения при помощи воздухораспределителей. За установкой приточный воздух дополнительно подогревается в калорифере до необходимой температуры. Работой системы вентиляции управляет автоматика. Система контролирует воздушные потоки, минимизируя энергозатраты в холодное время года за счет передачи тепла от вытяжного воздуха приточному.

Существуют различные типы теплообменников-утилизаторов.

Рекуперативные пластинчатые теплообменники выполняются в виде пакета пластин, установленных таким образом, что они образуют два смежных канала, по одному из которых движется удаляемый, а по другому - приточный наружный воздух. При изготовлении пластинчатых теплообменников такой конструкции с большой производительностью по воздуху возникают значительные технологические трудности, поэтому разработаны конструкции кожухотрубных теплообменников-утилизаторов ТКТ, представляющих собой пучок труб, расположенных в шахматном порядке и заключенных в кожух. Удаляемый воздух движется в межтрубном пространстве, наружный — внутри трубок. Движение потоков перекрестное.

Рисунок 3.1 - Теплообменники: а - пластинчатый утилизатор; б - утилизатор ТКТ;

Приточно-вытяжные установки с пластинчатыми рекуператорами позволяют снизить затраты на подогрев приточного воздуха на 10-70 %. В основе таких устройств лежит пластинчатый перекрестно-поточный рекуператор - пакет тонких металлических пластин, листов пластика или специально обработанной целлюлозы, между которыми оставлены промежутки. Удаляемый из помещения воздух протекает в каждом втором промежутке между пластинами, а свежий, поступающий в помещения, идет через остальные каналы. Поскольку пластины очень тонкие, они без труда передают тепло от прогретого воздушного потока более холодному. Рекуператоры с пластинами из целлюлозы обладают еще и свойством выравнивать концентрацию водяного пара в приточном и вытяжном воздухе (способность осушать или увлажнять приточный воздух). Благодаря этому летом можно заметно укорачивать время действия системы кондиционирования воздуха.

Помимо рекуператора в корпусе приточно-вытяжной установки имеются приточный и вытяжной вентиляторы, фильтры, обеспечивающие очистку воздуха от пыли, нагреватель воздуха и другие элементы. Контроль температуры осуществляется с помощью системы автоматического регулирования мощности, по показаниям датчика температуры, установленного в потоке подаваемого воздуха. Кроме того, оборудование оснащается системой защиты, практически исключающей его поломку или преждевременный выход из строя.

Наибольшее энергосбережение при использовании приточно-вытяжных установок с перекрестно-поточным рекуператором достигается при положительных и слабоотрицательных температурах уличного воздуха. Но когда за окном холоднее, чем -3 8°С (это приблизительная температура, зависящая от относительной влажности потоков воздуха), между пластинами рекуператора может образоваться лед, что приведет к снижению эффективности работы системы.

В настоящее время известно несколько способов борьбы с обмерзанием рекуператора. Самым радикальным является предварительный подогрев приточного воздуха. В канале перед входом в установку монтируется нагреватель (дефростер), который доводит поступающий поток до "безопасной" температуры. Этот способ предупреждения обмерзания рекуператора - самый затратный. Он существенно снижает эффективность использования рекуператора и несколько повышает стоимость системы механической вентиляции. Однако именно он позволяет использовать приточно-вытяжные установки с пластинчатыми перекрестно-поточными рекуператорами для вентиляции административных и офисных зданий, расположенных не только в средней полосе России, но и на севере, где температура воздуха нередко опускается ниже -35°С.

Есть и другой способ. Его применяют для плавления льда, уже образовавшегося в вытяжных каналах рекуператора. Для этого приточно- вытяжная установка должна быть оборудована электроуправляемой заслонкой и обводным каналом (байпасом). Во время разморозки (в морозы мин в час) через рекуператор идет только теплый воздух из помещений. Заслонка на входе в установку в этот период закрыта, и приточный воздух поступает в помещения по обводному воздушному каналу. Конденсат отводится в канализацию. Обводной воздушный канал используется и летом, когда температура наружного воздуха оптимальна и потребность в рекуперации отпадает.

Наименее затратный способ разморозки рекуператора реализуется за счет остановки вентилятора подачи уличного воздуха (на 10-15 мин в час). Однако у этого способа имеется недостаток:

в вентилируемых помещениях создается разряжение (так называемый эффект хлопающих дверей).

Приточно-вытяжные установки с роторными теплоутилизаторами лучше, чем агрегаты с перекрестно-поточным рекуператором, адаптированы к российскому климату, в том числе к самым лютым холодам. Это оборудование несколько дороже (в 1,5-2 раза), чем аналогичное по производительности и мощности с перекрестно-поточным рекуператором. Но суммарная стоимость системы механической вентиляции, включая затраты на ее эксплуатацию в случае применения роторного агрегата часто оказываются более низкими.

Приточно-вытяжные установки с роторной рекуперацией воздуха предназначены для комфортного вентилирования, в первую очередь, общественных помещений: официальных контор, банков, производственных помещений, школ, детсадов и т.п. В комбинации с угольным фильтром, приточно-вытяжная установка может быть использована также в зданиях с разными видами деятельности, где имеется риск смешивания воздуха. Но агрегат не может быть использован во влажных помещениях.

Роторный рекуператор возвращает всего 2% запахов воздуха помещения. Угольный фильтр, размещенный на притоке после вентилятора, позволяет достичь абсолютной очистки воздуха, поступаемого в помещение. Преимуществом монтажа угольного фильтра на притоке является также полная очистка наружного воздуха от выхлопных газов и запахов и, кроме того, угольный фильтр несколько снижает уровень шума Важнейшая характеристика такого оборудования - коэффициент использования отходящего тепла. При равном расходе приточного и вытяжного воздуха он может достигать 85 %! Столь высокое значение этого параметра обусловлено использованием вращающегося роторатеплоутилизатора, который представляет собой короткий цилиндр с множеством воздушных каналов, образованных поочередно навитыми плоскими и гофрированными алюминиевыми лентами.

Ротор вращается в потоках проходящего через установку приточного и вытяжного воздуха, благодаря чему через одни и те же ячейки проникает то теплый, то холодный воздух. Ячейки соответственно то нагреваются, то охлаждаются, и в результате происходит перенос тепла от одного воздушного потока к другому. В городах центральной части страны чаще всего используют установки со стандартными роторами, предназначенные для комфортной вентиляции. Можно заказать у производителей приточно-вытяжную установку с так называемым гигроскопическим ротором. За счет вытяжного потока он летом позволяет осушать, а зимой - увлажнять подаваемый в помещения свежий воздух (аналог целлюлозного рекуператора). В зданиях расположенных в приморской полосе, лучше монтировать приточно-вытяжные вентиляционные установки, роторы которых обладают улучшенной антикоррозийной защитой.

Роторная техника порой позволяет обойтись без предварительного подогрева воздуха в дефростере. Более того, благодаря высокому КПД роторного теплоутилизатора в приточновытяжной установке часто можно не применять даже штатный нагреватель. В средней полосе России, а тем более на юге, в зданиях с надежной системой отопления, обеспечивающей избыток тепла, дополнительный подогрев приточного воздуха может не потребоваться на протяжении всего года. Когда температура наружного воздуха понижается настолько, что эффективности вращающегося теплообменника становится недостаточно (поступающий в помещение воздух не нагревается до требуемой температуры), автоматика совсем незначительно уменьшает расход приточного воздуха, и в результате ротор все-таки обеспечивает заданную температуру воздушного потока на выходе из установки.

Опасность появления льда в ячейках роторного теплообменника возникает только при температуре наружного воздуха ниже -20°С. Разморозка устройства осуществляется двумя способами. В наиболее совершенных аппаратах с помощью регулятора частоты снижается скорость вращения ротора. Если теплообменник не оборудован регулятором скорости, то при размораживании останавливается приточный вентилятор и закрывается заслонка всасывания свежего воздуха.

Впрочем, как и в случае с пластинчатым рекуператором, полное блокирование притока имеет существенный недостаток: в вентилируемых помещениях создается ощутимое вакуумное давление.