Лекция №7

III.

II.

I.

Общие принципы энергосбережения в зданиях и сооружениях

 

Общие принципы энергосбережения в зданиях и сооружениях включают в себя:

- организацию учета и контроля за использованием энергоресурсов;

- обоснованность норм потребления энергоресурсов, соответствующих сани­тарно-гигиеническим требованиям к микроклимату зданий;

- уменьшение потерь энергии и энергоносителя до уровня эксплуатаци­онно неизбежных;

- использование энергии вторичных энергоресурсов;

- частичное замещение потребления произведенных энергоресурсов потреб­лением энергоресурсов природных источников.

Мероприятия по энергосбережению в системах отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха условно можно разделить на четыре группы:

I. Учет и контроль за использованием энергоносителей.

 

Приборный учет тепловой энергии и расхода теплоносителяотно­сится к организационным мерам и позволяет выявить фактическое потребле­ние, которое в общем случае может отличаться от проектного потребления тепловой энергии зданиями и сооружениями. Это отличие может составлять до 30 % плановых (проект­ных) показателей. Превышение планового теплопотребления, как правило, связано с ухудшенными характеристиками ограждающих конструкций.

 

II.Объемно-планировочные, строительно-конструктивные меры по энер­госбережению.

 

Cвязаны с уменьшением тепловых потерь и теплопоступлений. Конкретная их реализация обеспечивается:

- выбором ориентации здания относительно сторон света;

- выбором формы здания в плане и по вертикали, применением солнцеза­щитных устройств;

- уменьшением затрат энергии на искусственное освещение;

- выбором степени и характера остекления;

- подбором тепловой изоляции, обеспечивающей термические сопротивле­ния элементов ограждающих конструкций, удовлетворяющих нормам теп­ловой защиты зданий. Вторая составляющая мер по энергосбережению из этой группы связана с уменьшением расхода инфильтрующегося воздуха (герметизация проемов и стыков).

В целом все рассмотренные выше мероприятия предусматриваются на стадии проектиро­вания зданий.

 

III. Технические меры по энергосбережению — совершенствование сис­тем и их элементов.

 

К этой группе мероприятий по энергосбережению можно отнести:

- уточнение расчетных условий (выбор расчетных температур наружного и внутреннего воздуха, правильный выбор необходимого количества свежего воздуха);

- зональный и точечный обогрев, выравнивание температурного градиента по высоте помещений;

- уменьшение инфильтрации (создание подпора, воздушных завес и др.);

- снижение потерь (изоляция трубопроводов и воздуховодов, уменьшение коэффициентов гидравлических и аэродинамических потерь, исключение утечек теплоносителя, повышение тепловой эффективности теплообменного оборудования);

- регулирование мощности систем с использованием различных способов, обеспечивающих снижение расхода энергии;

- комбинирование систем (например, центральная и автономная системы кондиционирования воздуха) и с другими системами (например, комбиниро­вание системы кондиционирования воздуха и системы отопления);

- автоматизация процессов теплоснабжения и подготовки воздуха;

- интенсификация процессов тепло- и массообмена для оборудования, обеспечивающего микроклимат зданий, и др.;

- обеспечение пропускной способности трубопроводов водяных систем.

 

IV. Энергосбережение путем утилизации природных теплоты и холода использования вторичных энергоресурсов.

Эта группа мероприятий по энергосбережению включает в себя:

- пассивное и активное использование солнечной энергии;

- пассивное и активное (с применением теплонасосных установок) исполь­зование природных теплоты и холода воды, наружного воздуха, грунта;

- использование потенциала вторичных энергоресурсов (теплоты и холода удаляемого воздуха, теплоты источников освещения, нагреватель­ных приборов, сточных вод и др.);

- использование теплонасосных установок в целях повышения потенциала природных источников теплоты и вторичных энергоресурсов.

В целом мероприятия рассматриваемой нами четвертой группы по энергосбережению можно разделить на

- долгосрочные мероприятия (требующие значительных капитальных вложений, со сроком окупаемости более 5 лет). К долгосрочным мероприятиям относятся, например, утепление наруж­ных стеновых ограждений зданий с использованием жестких плит, гибких матов и других материалов, замена оконных блоков и др.

- среднесрочные мероприятия (со сроком окупаемости от 2 до 5 лет). Включают в себя, например, внедрение оптимальных графиков регулирования расхода и температуры теплоноси­теля с использованием средств автоматизации и контроля, уплотнение окон­ных и дверных проемов, стыков стеновых панелей.

- первоочередные мероприятия (со сроком окупаемости до 2 лет). Характеризуются малым сроком внедрения и небольшим сроком окупаемости. К ним могут относиться, например, орга­низационные мероприятия, позволяющие заинтересовать потребителей теп­ловой энергии в экономии топлива, технические мероприятия по обеспече­нию требуемого качества сетевой воды и др.

 

 

Использование вторичных энергетических ресурсов в зданиях и сооруже­ниях, на примере уста­новок кондиционирования воздуха, работающих с использованием ре­циркуляции и утилизации теплоты отработавших в помещении вентиляционных выбросов.

Наиболее простым, не требующим значительных капиталовложений мето­дом снижения затрат теплоты, поступающей от внешних источников, на подогрев воздуха в системах приточной вентиляции и кондиционирования воздуха является рециркуляциявоздушного потока.При этом часть удаляемого воздуха подме­шивается к воздуху, подаваемому в помещение. Возможная принципиальная схема установки кондиционирования воздуха, работающей на принципе рециркуляции, представлена на рисунке 1.

 

 

1 — калорифер первой ступени подогрева воздуха; 2 — оросительная камера; 3 — калорифер второй ступени подогрева воздуха; 4, 5 — приточный и вытяжной вентиляторы; 6 — обслуживаемое помещение; 7 — трехходовой клапан; 8 — циркуляционный насос; С^/₁ и С^/₂ — точки, соответствующие параметрам воздуха после смешения при применении рециркуляции в холодный период года; С₁ и С₂ — то же в теплый период года

 

Рисунок 1 - Схема установки кондиционирования воздуха в холодный и теплый периоды года

 

Рассмотрим схему рециркуляции воздуха для холодного периода года.

Наружный воздух, за счет разряжения, создаваемого вентилятором 4, последовательно проходит калорифер 1 первой ступени подогрева воздуха, оросительную камеру 2 и калорифер 2 первой ступени подогрева воздуха. В результате перед входом в помещение он подогревается и насыщается до определенного значения влагой (с помощью оросительной камеры 2). Температура и влажность воздуха, поступающего в помещения определяются санитарно-гигиеническими нормами, предъявляемыми к конкретному помещению.

На выходе из помещения воздух нагнетается с помощью вентилятора 5 в обратную магистраль для повторного использования (рециркуляции). Рециркуляционный воздух может подмешиваться к наружному либо перед оросительной камерой 2, либо перед калорифером второй ступени 3.

Прогрев калориферов до определенной температуры может осуществляться теплоносителем (например, водой), поступающим из основной системы теплоснабжения.

Оросительная камера 2, для поддержания необходимого уровня жидкости (воды) находящейся в ней, имеет постоянную подпитку холодной водой из системы водоснабжения через трехходовой кран 7 и циркуляционный насос 8.

Несмотря на простоту и экономичность схемы, представленной на рисунке 1, возможности реализации метода рециркуляции воздушного потока на практике ограничены. Рециркуляция недопустима при нали­чии в удаляемом воздухе

- взрыво- и пожароопасных примесей,

- отравляющих веществ,

- болезнетворных микроорганизмов и т.п.

Кроме того, расход све­жего наружного воздуха, подаваемого в помещение, должен быть не ниже минимального расхода, регламентируемого нормативными документами. Только приотсутствии людей в помещении допускается подача 100 % удаляемого воздуха на рециркуляцию.

 

При невозможности применения рециркуляции теплота и холод удаляе­мого воздуха могут передаваться приточному воздуху в теплообменниках-утилизаторах. При этом в целях полезного использования может извле­каться как явная, так и скрытая теплота. В последнем случае применяются конденсационные теплообменники-утилизаторы различного типа.

Пример принципиальной схемы установки кондиционирования воздуха, в которой используется рекуперативный теплообменник-утилизатор теплоты вентиляционных выбросов, представлен на рисунок 2.

 

 

 

1 — приточный клапан; 2 — воздушный фильтр; 3 — рекуперативный теплообменник-утили­затор; 4,11 — калориферы первой и второй ступеней подогрева воздуха; 5 — форсуночная камера орошения; 6 — приточный вентилятор; 7 — циркуляционный насос; 8 — трехходовой клапан; 9 — обводная линия; 10 — вытяжной вентилятор

 

Рисунок 2 - Схема установки кондиционирования воздуха c утилизацией теплоты вентиляционных выбросов в рекуперативном конденсационном теплообменнике

 

Наружный воздух, за счет разряжения, создаваемого вентилятором 6, последовательно проходит приточный клапан 1, воздушный фильтр 2, рекуперативный теплообменник-утили­затор 3, калорифер 4 первой ступени подогрева воздуха, оросительную камеру 5 и калорифер 11 второй ступени подогрева воздуха. В результате перед входом в помещение он подогревается и насыщается до определенного значения влагой (с помощью оросительной камеры 5).

На выходе из помещения воздух засасывается с помощью вытяжного вентилятора 10 в обратную магистраль и проходит через рекуперативный теплообменник-утили­затор 3, отдавая часть теплоты наружному воздуху.

Прогрев калориферов до определенной температуры может осуществляться теплоносителем (например, водой), поступающим из основной системы теплоснабжения.

Оросительная камера 5, для поддержания необходимого уровня жидкости (воды) находящейся в ней, имеет постоянную подпитку холодной водой из системы водоснабжения через трехходовой клапан 8 и циркуляционный насос 7.

 

 

Наибольшая эффективность применения теплообменников-утилизаторов имеет место при утилизации теплоты вытяжного воздуха, имеющего боль­шое влагосодержание. В этом случае требуется источник холодоснабжения, в качестве которого может использоваться холодильная машина. Наиболее целе­сообразно использовать холодильные машины с воздушными конденсато­ром и испарителем, которые размещаются в приточном воздуховоде. Тогда в качестве воздушных испарителей и конденсаторов можно использовать стан­дартные воздухонагреватели, которые через систему трубопроводов подклю­чаются непосредственно к компрессору холодильной машины.

Схема системы кондиционирования воздуха бассейнов с использова­нием выпускаемых промышленностью холодильных машин с водяными конденсатором и испарителем показана на рисунке 3.

 

 

1 — помещение бассейна; 2 — калорифер подогрева воздуха; 3 — система теплоснабжения; 4 — приточный вентилятор; 5 — воздухонагреватель; 6 — воздухоохладитель; 7 — холодиль­ная машина; 8 — теплоноситель в систему горячего водоснабжения; 9, 10 — баки теплой и холодной воды; 11, 12 — циркуляционные насосы; 13 — отвод конденсата;

 

Рисунок 3 - Схема системы кондиционирования воздуха бассейна с использованием теплового насоса с водяным охлаждением

 

На схеме, представленной на рисунке 3, воздухоохлади­тель 6 встраивается в циркуляционный контур испарителя, рассольный или водяной, в зависимости от расчетной температуры испарения (циркуляцион­ный контур включает в себя при этом бак холодной воды — рассола и цир­куляционный насос).

Аналогично воздухонагреватель 5 встраивается в циркуляционный кон­тур охлаждения конденсатора холодильной машины, также оборудованный циркуляционным насосом и баком теплой воды. По мере повышения темпе­ратуры и влагосодержания наружного воздуха увеличивается требуемая сте­пень его осушки, а следовательно, и нагрузка по его охлаждению.

В результате увеличивается количество теплоты, которое нужно отводить от конденсатора. В холодный период эта теплота используется для нагрева осушенного воздуха. С ростом температуры наружного воздуха потребность тепловой энергии на эти цели, естественно, уменьшается и появляющийся избыток теплоты может быть использован в системе горячего водоснабжения бассейна для нагрева подпиточной и рециркуляционной воды.

Осушка воздуха, удаляемого из помещения бассейна, позволяет использовать его частичную рециркуляцию, что снижает затраты тепловой мощности по нагреву приточного воздуха. Для осушки воздуха необходимо его охлаждение, что требует включения в схему холодильной машины В приведенной схеме холодильная машина работает в режиме теплового насоса. Теплота, отводимая от воздуха в испарителе — конденсационном теплообменнике 6, используется для подогрева осушенного и охлажденного воздуха в поверхностном воздухоподогревателе — конденсаторе холодиль­ной машины 7. Избыток теплоты используется для нагрева воды в системе горячего водоснабжения.

 

 

Использование вторичных энергетических ресурсов в зданиях и сооруже­ниях, на примере теп­лового пункта, работающего на принципе утилизации теплоты вытяжного воздуха с применением теплонасосных установок (ТНУ).

 

 

Энергетическая эффективность ТНУ оценивается коэффициентом преоб­разования, равным отношению теплоты, полученной в конденсаторе, к теп­ловому эквиваленту электроэнергии, затраченной на привод компрессора. Обычно этот коэффициент равен трем-четырем, т.е. на единицу мощности привода приходятся три-четыре единицы тепловой мощности низкопотен­циального источника теплоты.

Для работы тепловых насосов в целях тепло- или холодоснабжения зда­ний могут быть использованы следующие природные источники теплоты:

- наружный воздух (при положительных температурах);

- вода естественных и искусственных водоемов (рек, озер, морей);

- геотермальные источники;

- грунт, при этом теплоту получают с помощью специальных трубчатых теплообменников;

- подземные воды;

- солнечное излучение.

Низкопотенциальную теплоту вторичных энергетических ресурсов можно использовать напрямую с помощью теплообменных аппаратов, например для подогрева приточного вентиляционного воздуха, или с помо­щью теплонасосных установок.

Рассмотрим пример применения теплонасосной установки (ТНУ) для горячего водоснабжения и холодоснабжения здания. В качестве источника низкопотенциальной теплоты используется воздух (рисунок 4).

 

 

 

1 - тепловая сеть; 2 - водопровод; 3 - система отопления; 4 - система горячего водоснабжения; 5 - тепловой насос; 6 - водоподогреватель системы горячего водоснабжения; 7 - отопительный циркуляционный насос; 8 - насос вторичного контура теплообменника; 9 - циркуляционный насос системы горячего водоснабжения; 10 - баки-аккумуляторы; 11 - калорифер, размещенный на крыше

 

Рисунок 4 - Схема теплового пункта с тепловым насосом

 

Работа теплового пункта, представленного на рисунке 4 осуществляется следующим образом.

В зимний период теплоноситель поступает из тепловой сети 1. Регулирование тепловой мощности системы отопления осуществляется с помощью трехходового регулирующего клапана и циркуляционной насоса 7. Узел приготовления горячей воды состоит из водоподогревателя 6, баков-аккумуляторов 10 и циркуляционного насоса 8. Если водоразбор меньше, чем подача насоса 8, то горячая вода накапливается в баках 10. Когда водоразбор увеличивается, часть холодной воды из водопровода поступает в баки 10 и вытесняет накопившуюся там горячую воду в систему горя чего водоснабжения 4.

В летний период система горячего водоснабжения полностью отключен) от тепловой сети. В качестве источника теплоты для системы горячего водоснабжения используется внутренний воздух помещений здания или наружный воздух. За счет потенциала теплоты воздуха функционирует тепловоз насос 5, работающий по схеме вода - вода. К испарителю теплового насоса теплота подводится с водой, циркулирующей через радиаторы системы отопления здания 3 (в жаркое время) или через калорифер 11 (в прохладное время). Циркуляция обеспечивается насосом 7. Циркуляция водопроводной воды через конденсатор теплового насоса осуществляется насосом 8. В баках-аккумуляторах 10 накапливается подогретая в тепловом насосе вода. Работая по такой схеме, тепловой насос 5 обеспечивает нагрев водопроводной воды и охлаждение помещений в жаркое время.

В результате применения тепловых аккумуляторов и теплонасосной установки обеспечивается тепловая мощность системы горячего водоснабжения равная 180 кВт, при этом потребление электрической мощности тепловым насосом составляет 6,5 кВт.