II.1.4. Внедрение инновационных технологий в отопление

II.1.4.1. Характеристика затрат энергии на отопление

Жилищно-коммунальное хозяйство (ЖКХ) является одним из крупнейших потребителей топлива и энергии в России – на его долю приходится около 30 % всего энергопотребления страны. Реальные резервы для снижения энергопотребления в ЖКХ составляют до 35 %. Представленное на рис. II.6 процентное соотношение энергопотребления в быту показывает, что основной потенциал энергосбережения имеется в части отопления и энергосбережения. Рассмотрим на примере отопления инновационные подходы к реализации этого потенциала.

Отопление предназначено для поддержания в помещениях такой температуры, которая соответствует нормам для людей, оборудования, приборов, предметов. Для этих целей до настоящего времени наиболее широко применяются системы водяного и воздушного отопления. С их помощью в помещениях поддерживается требуемая температура воздуха. Сейчас наблюдается тенденция отхода от использования традиционных водяных и воздушных систем и расширения применения систем лучистого отопления. Область применения лучистого отопления в России определена требованиями СНиП 41-01-2003 [37], которые введены в действие с 01.01.2004 взамен СНиП 2.04.05-91.

Рис. II.6. Распределение энергопотребления в быту

II.1.4.2. Общая характеристика систем лучистого отопления

Причина повышенного внимания к лучистому отоплению заключается в большей его комфортности и экономичности. Так, ощущение комфорта в помещении зависит не только от температуры воздуха, как обычно принято считать, но и от температуры окружающих предметов, создающих среднюю инфракрасную (среднюю лучистую, среднюю термодинамическую) температуру среды. Эта температура для помещения определяется по формуле:

(II.13)

где F_i и t_i - площадь и температура внутренней поверхности каждой из ограждающих конструкций в помещении.

При одной и той же температуре воздуха t_в (например, 20^оС) тепловые ощущения человека в зависимости от температуры t_ср могут быть различными. Эти ощущения могут характеризоваться оценками «холодно» при пониженной t_ср (если, например, t_ср ниже 16^оС при t_в=20^оС), «нормально» (если t_ср=16-25^оС при той же температуре воздуха) и «жарко» при повышенной t_ср (выше 25^оС в приведенном примере). Зона комфортных сочетаний t_в и t_ср показана на рис. II.7.

Рис. II.7. Области тепловых условий для человека, выполняющего легкую работу в отапливаемом помещении

Анализ печатных и электронных источников по проблемам отопления показал, что системы лучистого отопления обладают высокой энергетической, эксплуатационной, экономической эффективностью, рациональными капитальными затратами, а также высокими физиологическими свойствами и дизайнерским потенциалом.

Рассмотрим формирование показателей эффективности лучистого отопления на примере учебно-тренировочного комплекса (УТК) вуза, расположенного в Нижегородской обл. Рабочая (обитаемая) зона УТК, планируемого к размещению в сооружении Г-18, изначально разработанном для гаража на 18 автомобилей, аналогична рабочей зоне производственных зданий и составляет всего 20 - 30 % внутреннего объема сооружения. Именно эти 20 - 30 % УТК и требуют поддержания комфортных условий, необходимых для работы обучаемых и преподавателей.

Конвективный нагрев 70-80 % воздуха, находящегося над рабочей зоной УТК, следует отнести к прямым потерям энергии на отопление. Но известно, что удержать теплый воздух в нижней части помещения невозможно, он неизбежно будет подниматься вверх, под крышу сооружения. Рост температуры воздуха в производственных зданиях, оборудованных конвективными системами отопления, по данным [37] составляет приблизительно 2,5^оС на 1 м высоты.

Таким образом, в УТК, высотой 7,5 м, при средней температуре в рабочей зоне 18°С воздух под крышей окажется нагретым до 30 - 32^оС. Такой перегрев воздуха приведёт к резкому возрастанию тепловых потерь через наружные ограждения верхней части сооружения.

Кроме того, наличие фундаментов под оборудование (например, под действующие дизель-генераторы энергетической площадки), усложняет задачу подвода к УТК и разводки там трубопроводов системы отопления. При этом трубопроводы будут пересекаться с силовыми сетями и сетями управления, расположенными ниже уровня пола.

При размещении тепловых сетей в таких условиях трудно обеспечить гидравлическую устойчивость. Вдобавок высокая плотность блуждающих токов, характерная для производственных помещений, будет вызывать интенсивную электрохимическую коррозию водяных труб. По этой причине до недавнего времени практически единственным способом отопления производственных помещений было воздушное.

Но воздушное отопление имеет существенные недостатки, среди которых отмеченный ранее повышенный градиент распределения температур воздуха по высоте помещения, снижение комфортности пребывания людей из-за сквозняков, увеличение выделения тепла телом человека при его обдуве воздухом, требующее повышения температуры воздуха на 1 - 2^оС с соответствующим дополнительным увеличением тепловых потерь через наружные ограждения и др.

Поэтому для рассматриваемого здесь УТК воздушное отопление не может считаться достойной альтернативой несовершенному, как показано выше, водяному конвективному отоплению. Такую альтернативу составляют в настоящее время системы лучистого отопления.

Лучистое отопление – это вид отопления, основанный на принципе теплового излучения. Тепловое излучение – это переход тепла от тела с более высокой температурой к телу с более низкой температурой. Количество переданного тепла зависит от природы двух тел, от их взаимного расположения, от температуры их поверхностей и т.д.

Между двумя телами с различной температурой, не находящихся в непосредственном контакте, происходит взаимный тепловой обмен до тех пор, пока их температура не сравняется.

Наиболее ярким примером передачи тепла от одного тела другому с помощью излучения представляют собой Солнце и Земля: Тепло, излучаемое Солнцем, проходящее через космический вакуум и атмосферу, достигает поверхности Земли именно в результате эффекта излучения. Излучающее тело отдает свою энергию в виде тепла, вследствие чего его температура уменьшается; и наоборот, если поверхность какого-нибудь тела подвергается тепловому излучению, то тело, поглощая энергию, увеличивает свою температуру.

В установках лучистого отопления, вследствие направленного излучения в нижнюю зону помещения и передачи тепла непосредственно обогреваемым поверхностям, а не воздуху, отсутствует необходимость приращения мощности установки в расчете на высоту помещения. Отсутствие застоя теплого воздуха в районе кровли способствует уменьшению теплопотерь помещения и созданию более комфортных условий для работающих людей.

Кроме этого, в помещениях, отапливаемых приборами лучистого отопления, температура воздуха может быть немного ниже традиционно расчетной, в то время как поверхности стен и оборудования имеют температуру выше, что в целом дает то же ощущение комфорта для людей в помещении (рис. II.8, б).

а) конвективное отопление	б) лучистое отопление
Рис. II.8. Сравнение конвективной и лучистой систем отопления для характерного температурного режима работы учебно-тренировочного комплекса

Системы лучистого отопления не нуждаются в промежуточном материальном теплоносителе, здесь осуществляется прямой нагрев, в то время, как в традиционных воздушных системах происходит двухступенчатый нагрев теплоносителя, что влияет на величину КПД установки. Основные преимущества лучистого отопления показаны на рис. II.9.

а) комфорт при более низкой температуре	б) отсутствие температурного градиента
Рис. II.9. Основные преимущества лучистого отопления перед конвективным отоплением

В настоящее время на рынке отопительных систем предлагаются две системы лучистого отопления: системы газового лучистого отопления (ГЛО) и системы электрического лучистого отопления (ЭЛО). Учитывая сложность прокладки газопроводов к УТК, заведомо отказываемся от рассмотрения систем ГЛО как альтернативы конвективному отоплению в пользу систем ЭЛО.

Кроме того, учитывая невысокие значения термического сопротивления ограждающих конструкций сооружения Г-18, в котором размещается УТК, выполненных из волнистой стали, не будем рассматривать варианты панельно-лучистого отопления. Не подойдут для отопления рассматриваемого сооружения Г-18 и различные лучистые системы напольного исполнения, поскольку в отдельных частях полов предусматриваются технологические каналы, а сами полы, при отсутствии подвала, значительную часть тепла будут отводить в грунт.

Таким образом, принимаем к рассмотрению в качестве альтернативы конвективному отоплению УТК системы ЭЛО потолочного исполнения.

В системах ЭЛО используются электрические инфракрасные длинноволновые обогреватели. Главной отличительной особенностью ЭЛО является обогрев помещения с помощью потока лучистой энергии в длинноволновой части инфракрасного диапазона. Поток лучистой энергии, направляемый расположенными непосредственно над обогреваемой зоной электрическими инфракрасными длинноволновыми обогревателями, нагревает в основном не воздух, а поверхности находящихся в зоне его действия предметов: пола, оборудования, а также людей. В свою очередь, пол и оборудование конвекцией отдают аккумулированное тепло окружающему воздуху.

Таким образом, комфортное состояние обучаемых и преподавателей во время занятий в УТК, будет поддерживаться не только за счет температуры окружающего воздуха, как при конвективном отоплении, но и за счет идущей на них лучистой энергии от обогревателей, нагретого пола и оборудования. В этом состоит принципиальное отличие ЭЛО от традиционных систем конвективного отопления, приводящее к существенной экономии энергии.

Расчет эффективности использования ЭЛО для отопления УТК представлен ниже.

§ II.1.4.3. Пример расчета системы лучистого отопления

Здание выполнено на основе сооружения гаражного типа Г-18, стены из волнистой стали.

Длина здания составляет 54 м, ширина 17,5 м, высота 7,5 м. наружный объем здания составляет 5961 м³.

Энергетическая эффективность использования лучистого отопления в УТК определяется с учётом суточного, недельного и годового режимов его работы и допустимых минимальных и максимальных уровней температуры воздуха. Например, примем суточный режим работы УТК из расчета наиболее полной его загрузки: начало занятий – 9 час. 00 мин.; конец занятий – 19 час. 00 мин. Таким образом, считаем, что обучаемые и преподаватели находятся в помещениях УТК в течение 10 часов. В течение остальных 14 часов помещения свободны от людей. Исходя из этого, задается температурный режим: в присутствии людей +18^оС; в отсутствии людей +12^оС.

Температура воздуха в УТК в присутствии людей определяется санитарно-гигиеническими требованиями. Температура воздуха в отсутствии людей определяется минимальным уровнем температуры воздуха в помещениях, который не наносит какого-либо ущерба оборудованию, приборам, информационным стендам, дизайнерской отделке.

С учетом динамических свойств системы лучистого отопления, характеризуемых низкой инерционностью, на учебный (рабочий) день задается следующая суточная программа её работы: включение системы на высокотемпературный режим в 8 час. 00 мин., за 1 час до начала занятий; перевод системы в низкотемпературный режим в 19 час. 00 мин.

Расчет конвективного отопления для УТК выполним по удельным отопительным характеристикам на 1 м³ объёма здания по методике, разработанной Нижегородским государственным техническим университетом (НГТУ) и Нижегородским региональным учебно-научным центром энергосбережения (НИЦЭ) РД.34.01-00 [39].

Расчетно-нормативное годовое ( ), среднечасовое ( ), и максимальное ( ) потребление тепловой энергии на отопление определяется по выражениям:

(кДж) ; (II.14)

(Вт) ; (II.15)

(Вт) ; (II.16)

α=1 – поправочный коэффициент,

V_н=5961 м³ – наружный строительный объем здания без подвалов,

q₀=0.58 Вт/(м³∙^оС) – удельная отопительная характеристика жилых и общественных зданий,

t_вн=18⁰С – средняя температура внутреннего воздуха отапливаемых помещений

t_но = -30⁰С – расчетная температура наружного воздуха,

n₀ = 210 – продолжительность отопительного периода в сутках, соответствующая периоду со средней суточной температурой наружного воздуха 8⁰С и ниже.

Климатические характеристики и расчетная температура региона, где расположено УТК (Нижегородская область) приняты по СНиП 23-01-99 «Строительная климатология» [40].

Q_0max=1·5961·0.58·(18+30)=165954.24 Вт ; (II.17)

Q_от=165954.24·((18+5)/(18+30))=79658.035 Вт ; (II.18)

Q_ог^н =86.4·79658.035·210=1445314752 кДж = 1445 ГДж. (II.19)

Расчет лучистого отопления включает определение тепловой нагрузки, выбор типа, конструкции и количества излучателей. Кроме того, необходимо обеспечить равномерность обогрева помещения. В зависимости от норм облученности головы человека определяются допустимая температура поверхности излучателя или расстояние до него.

Расчетная температура воздуха в отапливаемом помещении и требуемая мощность системы отопления принимаются в соответствии со СНиП 41-01–2003 [37]. Количество излучателей находится как отношение тепловой нагрузки помещения к тепловой мощности излучателя.

Существующие методики расчета лучистого отопления сложны и противоречивы, и разработаны для определенных типов нагревательных панелей. Поэтому применение их для практических расчетов не представляется возможным. Для оценки параметров систем лучистого отопления воспользуемся основными закономерностями лучистого теплообмена.

В общем случае количество тепла, передаваемого излучением от нагретой поверхности панели на поверхность головы человека, имеющую более низкую температуру, согласно [41] может быть определено по формуле:

(II.20)

где с₀ = 5,67 Вт/(м².К) – коэффициент излучения абсолютно черного тела; ε_П-Ч – приведенная степень черноты участвующих в теплообмене поверхностей; Н_П-Ч – взаимная площадь излучения, м²; Т_п – температура поверхности излучения панели, К; Тч – температура поверхности головы человека, принимаемая равной 273 + 37 = 310 К.

Приведенная степень черноты участвующих в теплообмене поверхностей определяется соотношением:

(II.21)

где ε_п-ч – приведенная степень черноты участвующих в теплообмене поверхностей; ε_п –степень черноты поверхности панели (0,3 для железа, 0,15 для полированного алюминия, 0,8 для керамических пластин); ε_ч – степень черноты поверхности головы человека, может быть принята равной 0,95; F_п – площадь поверхности излучения панели, м²; F_ч – площадь поверхности головы, м². В практических расчетах приведенная степень черноты участвующих в теплообмене поверхностей может быть принята ε_П-Ч = 1.

В общем случае, взаимная площадь излучения двух площадок, плоскости которых пересекаются в пространстве под углом α (рис. II.10), определяется соотношением:

(II.22)

R– расстояние между центрами площадок, м;

Δх– разность координат центров площадок по оси Х, м;

Δу – разность координат центров площадок по оси Y, м;

Δz – разность координат центров площадок по оси Z, м;

H_1-2 – взаимная площадь излучения, м²;

F₁,F₂ – площадь поверхности площадок, м².

Рис. II.10. Схема расположения в пространстве излучающей площадки 1 и тепловоспринимающей площадки 2

Квадрат расстояния между центрами площадок рассчитывается как

R2 = Δх² + Δу² + Δz² . (II.23)

При горизонтальной установке излучающих панелей (рис. II.11) можно полагать, что нагреваемая поверхность головы человека параллельная излучающей поверхности и α= 0. В этом случае уравнение (II.22) принимает вид:

. (II.24)

Рис. II.11. Схема к расчету теплообмена излучением

Примем форму головы человека шарообразной с площадью поперечного сечения F₂ = F_ч = 0,03 м². Тогда при Н_1-2=Н_п-ч, ε_п-ч=1 и температуре поверхности головы человека Т_ч=310 К по уравнению (II.4.19) получим выражение для поверхностной плотности лучистого теплового потока I = Q_п-ч/F_ч:

,(II.25)

где I – поверхностная плотность лучистого теплового потока, Вт/м², t_п – температура излучающей поверхности панели, ⁰С.

Использование уравнения (II.25) позволяет решить следующие задачи:

- по заданной температуре и размерам обогревателя определить поверхностную плотность лучистого теплового потока;

- по заданной поверхностной плотности лучистого теплового потока определить допустимую температуру поверхности излучателя;

- по заданной поверхностной плотности лучистого теплового потока и по характеристикам обогревателя можно найти высоту его размещения.

Связь параметров искусственной вентиляции с уровнем теплового облучения установлена только для воздушного душирования. Согласно СНиП 41-01–2003 [37] предельный уровень поверхностной плотности лучистого теплового потока при отсутствии искусственной вентиляции ограничен величиной 140 Вт/м². При более высоком уровне теплового облучения необходимо предусматривать искусственную вентиляцию.

Допустимая плотность лучистого теплового потока при лучистом нагревании постоянных рабочих мест согласно СНиП 41-01–2003 составляет 35 Вт/м².

Излучатель:

P=6 кВт.

Габариты: 1880*440 мм,

F_П=0.7 м²,

t_П=260 ⁰C (533 K),

I_доп=35 Вт/м².

Расчёт плотности лучистого отопления для УТК выполнен с использованием электронных таблиц Excel (табл. II.8 и II.9).

Размещение приборов лучистого отопления, для которого выполнен расчёт, представлено на рис. II.12.

Имея вычисленные в табл. II.8 и II.9 плотности лучистых тепловых потоков для расчетных точек УТК можем определить расход энергии на отопление этого здания для любого промежутка времени с учетом различных режимов использования лучистых обогревателей.

Рассчитаем расход энергии на лучистое отопление на продолжительность всего отопительного периода и сравним его с расходом энергии, рассчитанным на тот же период, но при конвективном отоплении (выражения II.16 – II.18).

Учитывая такие достоинства лучистых обогревателей, как их низкая инерционность и возможность селективного (избирательного) включения, принимаем следующие (заведомо не самые экономичные, чтобы не преувелить эффект) варианты использования лучистого отопления в УТК:

- продолжительность занятий в учебном корпусе в рабочие дни отопительного периода t_р = 10 ч/сут;

Т а б л и ц а II.8

Расчет плотности лучистого отопления для варианта включения

Всех излучателей в УТК

Т а б л и ц а II.9

Расчет плотности лучистого отопления для варианта

частичного включения излучателей в УТК

Рис. II.12. План размещения излучателей инфракрасного отопления в УТК (РТ1 и РТ2 – расчетные точки)

- количество работающих излучателей во время проведения занятий n₁ = 14 шт (включены 100 % излучателей, хотя на самом деле могут работать излучатели только над теми учебными местами, где конкретно проводятся занятия, т.е. фактически расход энергии будет меньше);

- количество работающих излучателей во время отсутствия занятий n₂ = 7 шт;

- количество рабочих дней в неделю – 6 дней, количество недель в 210-дневный отопительный период – 30 недель, следовательно: количество выходных за отопительный период T_в= 30 суток, количество рабочих дней за отопительный период T_р= 180 суток;

- мощность излучателя P_св = 6 кВт.

Затраты энергии на отопление корпуса с помощью лучистого отопления:

=

= 3600·6·[10·180·14+ + (24 – 10) ·180·7 + 24·30·7] =

= 1034200000 кДж = 1034 ГДж. (II.26)

Таким образом, расходы тепла на отопление УТК при лучистом отоплении 1034 ГДж, даже с неполным учетом возможностей экономии энергии за счет управления температурным режимом, существенно меньше расходов тепла при конвективном отоплении 1445 ГДж. Экономия энергии составляет:

ΔQ_ог =1445 – 1034 = 411 ГДж/г. (II.27)

ΔQ_ог% = 411/1445∙100 = 28,4 % . (II.28)

Расчетная величина экономии энергии на отопление УТК соответствует данным об эффективности лучистого отопления, приводимым в печатных изданиях [41]. Эффективность использования лучистого отопления в УТК может быть дополнительно повышена за счет разработки и внедрения системы управления температурным режимом помещения.

Таким образом, для отопления учебно-тренировочного комплекса (УТК) вместо традиционных систем отопления целесообразно использовать систему электрического лучистого отопления (ЭЛО) с установкой 14 штук обогревателей ЭкоЛайн мощностью 6 кВт каждый.