Энергосбережение в системах отопления

Оглавление

1. Экономия теплоты на отопление

Жилые и общественные здания в нашей стране потребляют до 50 % тепловой энергии, получаемой от сжигания твердого и газообразного топлива. Поэтому сбережение теплоты, уменьшение ее расходов в зданиях, а следовательно, и экономия топлива является одной из важнейших народнохозяйственных задач.

1. Снижение энергопотребности отопления здания

Перерасход теплоты при отоплении зданий происходит из-за низких теплозащитных качеств наружных стен, окон, совмещенных перекрытий, чрезмерного проникновения наружного воздуха через неплотности в притворах оконных переплетов и балконных дверей, неотрегулированное системы отопления и др.

При эксплуатации зданий необходимо проводить мероприятия, направленные на снижение нерациональных расходов теплоты, а именно: на снижение до нормальной величины количества воздуха, поступающего в помещения зданий, а также устранение избыточного расхода теплоты в системах отопления.

В помещениях жилых зданий нормальным считается следующий объем воздухообмена: в жилых комнатах — 3 м3/ч на 1 м2 площади комнаты; в кухнях негазифицированных зданий — не менее 60, а в газифицированных — не менее 60 при двухконфорочных плитах и 90 при четырехконфорочных; в ванных — 25; в совмещенных санузлах — 50 и в уборных — 25 м8/ч. Вентилирование помещений происходит за счет притока воздуха через неплотности в притворах оконных переплетов и балконных дверей и существующего аэродинамического-давления (тяги) в вентиляционных каналах.

Однако во многих зданиях фактическая воздухопроницаемость окон и балконных дверей значительно выше нормативного ее значения, а аэродинамическое давление в вентиляционных каналах чрезмерна большое. Поэтому для снижения количества инфильтрующего воздуха до нормативной величины необходимо шире применять регулируемые вытяжные решетки, через которые удаляется воздух из помещений. Для этого рекомендуется использовать диафрагмы из обрезков оцинкованной стали, располагая их за вытяжной решеткой. Такой диафрагмой можно создавать дополнительное аэродинамическое сопротивление проходу воздуха в канал, и, следовательно, снижать избыточное давление воздуха в нем.

Одной из основных причин избыточного поступления холодного воздуха в жилые помещения являются неплотности по периметру заполнений оконных и балконных проемов. Для устранения этого дефекта необходимо тщательно заполнить зазоры между стенами и коробкой герметикой, например, пенообразным полиуретаном.

Снижение расхода теплоты на нагрев воздуха в помещении достигается также заклейкой притворов переплетов окон и балконных дверей бумажной лентой, в результате чего значительно улучшается комфорт жильцов в помещениях.

2. Повышение эффективности отопления здания

Причинами избыточного расхода теплоты в системах отопления зданий могут быть: несоблюдение правил технической эксплуатации системы отопления, неотрегулированность их работы, большие потери теплоты из-за недостаточной изоляции трубопроводов и др.

Нормальная эксплуатация систем отопления зданий предусматривает ежегодную их промывку, что способствует очистке труб от отложений и грязи и позволяет устранить избыточный расход теплоты. Промывку системы производят наполнением ее водой, а затем быстрым выпуском воды через трубу большого диаметра, временно присоединенную к самой низкой точке системы. Такое наполнение и опорожнение обычно повторяют 2—3 раза. Более эффективной считается гидропневматическая промывка системы, при которой сначала продувают последовательно каждый стояк снизу вверх сжатым воздухом, а затем проводят гидропневмопромывку последовательно каждого стояка и магистральных трубопроводов.

Значительное количество теплоты теряется в системах отопления за счет значительной периодической подпитки их водопроводной водой. Для уменьшения количества подпиточной воды необходимо устранять замеченные утечки из системы, осуществлять ремонт и частичную смену неисправной регулирующей арматуры.

К перерасходу теплоты, а иногда и к аварии отопительной системы приводят скопления в ней значительного количества воздуха. Поэтому очень важной работой притекущем ремонте систем отопления является устранение причин накопления воздуха.

Для экономии расхода теплоты при эксплуатации систем отопления необходимо применять средства автоматического регулирования и контроля за их работой, улучшать тепловую изоляцию трубопроводов, расположенных в подвалах, на чердаках и технических подпольях.

3. Теплонасосные установки для отопления здания

Тепловой насос – это холодильник наоборот. Основная задача теплового насоса – забрать тепло из прохладной внешней среды и передать его в помещение. Внешняя среда при этом может быть разная: водоем, море, теплые канализационные стоки, грунт, теплый воздух вытяжной вентиляции.

Тепловые насосы довольно надежные устройства. Срок эксплуатации компрессора и теплообменного контура около 30 лет. Практика применения тепловых насосов показала, что их агрегаты и автоматика практически не выходят из строя в течение всего срока эксплуатации стоимость получаемого тепла в 2,5 раза ниже, чем тепло от индивидуальных газовых котельных и в 3 раза ниже, чем стоимость тепла от централизованной системы отопления.

Принцип работы теплового насоса:

• в замкнутом контуре циркулирует хладоагент с низкой температурой испарения, который испаряется во внешнем теплообменнике при низком давлении и температуре. При испарении происходит охлаждение теплообменника и тепло забирается из внешней среды.
• компрессор теплового насоса сжимает пары и перекачивает их во внутренний теплообменник. При прохождении через сопло расширителя давление и температура пара резко падают, происходит конденсация теплоносителя на стенках теплообменника с передачей ему тепла.
• от теплообменника нагревается воздух в помещении или подогревается вода в системе отопления. В качестве теплоносителя обычно используется 30%-й раствор пропиленгликоля или этиленгликоля, фреоны, пропан, реже – спиртовые растворы.

Задача ТНУ накачать тепло, используя электроэнергию для привода компрессора. Поэтому тепловой насос оценивается коэффициентом преобразования теплоты (Е.Е.С.). То есть, сколько тепловой энергии (кВт*ч) вырабатывает тепловой насос на 1 кВт*ч затрачиваемой электрической энергии. Обычно этот коэффициент от 2,5 до 5. Выбор внешней среды для работы ТНУ, теплообменников, схемы их расположения и укладки трубопроводов – дело специалиста. Конструктивные особенности существенно влияют на эффективность работы теплового насоса.

Во внешнем контуре теплового насоса обычно проблем с температурой не возникает. По экономическим причинам не имеет смысла выхолаживать воздух с отрицательной температурой, но очень выгодно забирать тепло из канализационных стоков, с придонной части прудов и озер, а также из других непромерзающих водоемов, болот. Поскольку температура этих источников практически постоянна, считается, что для теплового насоса это неограниченный источник тепла. Теплообменники для водных источников подбираются исходя из расчета съема тепловой энергии 30Вт*ч на 1 погонный метр трубы теплообменника. Фиксация теплообменника в придонной части обеспечивается грузом 5 кг на 1 метр теплообменника.

При использовании в качестве источника тепла грунта, ситуация несколько сложнее. Расположение теплообменника в грунте дело довольно трудоемкое. Для нормальной работы теплообменника его нужно заглубить ниже слоя промерзания на глубину около 1 метра. Площадь расположения теплообменника для среднего дома около 400 м2, длина труб около 450 метров. Если заменить поверхностный теплообменник на вертикальный, то для его расположения необходимо будет пробурить скважину глубиной 50-70 метров, что очень дорого. Производитель гарантирует работу такого теплообменника до 100 лет. Структура грунтов различна, она определена географическим расположением проектируемых объектов, что оказывает существенное влияние на их теплопроводность. Вокруг теплообменников  грунт со временем  может изменять свой энергетический потенциал, что снижает эффективность работы ТНУ. Однако существуют технические способы свести последствия этой проблемы к нулю. Поэтому работы по проектированию, монтажу и сервисному обслуживанию ТНУ с грунтовым теплообменом (геотермальные ТНУ) должны выполняться профессиональной  компанией, имеющей многолетний опыт создания подобных систем. Температура на выходе теплового насоса обычно не превышает 55 °С. Поэтому тепловые насосы целесообразно использовать для подогрева теплоносителя обычной системы отопления и воды для ГВС или для подогрева полов системой отопления «Теплый пол».      Подогрев воды для систем отопления и ГВС не вызывает затруднений и заметных затрат, поскольку 75-80% необходимого нагрева уже сделал тепловой насос. 
Весьма эффективно применение ТНУ, если существует возможность использования тепла обратной магистрали центральной системы отопления (ЦСО). В этом случае применяются ТНУ с теплообменниками  вода-вода, которые забирают тепло из охлажденной до 40ОС воды, доводят ее до температуры 55°С и подают на устройства теплообмена, установленные внутри здания. Дополнительно охлажденная вода в  ЦСО, возвращается в котельную и цикл повторяется. Такое применение ТНУ позволяет повысить эффективность работы ЦСО.

Существенным достоинством ТНУ является их реверсивный характер (в жаркий период тепловой насос можно использовать для охлаждения помещения). В этом случае, тепло из помещений отводится во внешний контур от специальных теплообменников, устанавливаемых внутри здания.

4. Экономия теплоты при автоматизации работы систем отопления

При работе распространенных систем водяного и воздушного отопления централизованные теплозатраты на отопление можно сократить, если использовать для обогревания помещений дополнительные местные теплопоступления. Существенной экономии теплозатрат достигают, применяя автоматическое регулирование теплового потока поступающего
в систему отопления. Блоки автоматизации действия системы отопления включают в общую автоматизированную систему управления работой инженерного оборудования
здания. Теплопоступления от различных дополнительных источников можно считать избыточными, если они вызывают повышение температуры воздуха в рабочей (обслуживаемой) зоне
сверх средней оптимальной, установленной по назначению помещения. Например, сверх
21°С в обслуживаемой зоне жилых, общественных и административно-бытовых помещений, когда люди находятся в них более 2 ч непрерывно.

В отапливаемых жилых зданиях к дополнительным теплопоступлениям относятся: 

• часть теплопоступлений от систем водяного отопления при температуре наружного
воздуха выше температуры точки излома графика регулирования температуры воды в теплофикационных сетях;  
• часть бытовых тепловыделений, вызывающих повышение температуры воздуха в
жилых комнатах сверх 21 °С (обычно при температуре наружного воздуха выше
расчетной для проектирования отопления);
• теплопоступления от солнечной радиации. В основных помещениях общественных зданий вместо бытовых тепловыделений имеются
периодические теплопоступления от работающих людей и электрического освещения.

В
помещения производственных зданий в рабочее время поступает также теплота от электрического оборудования и технологических процессов. Мощность этих дополнительных теплоисточников изменяется во времени, понижаясь до минимального значения в ночное
и нерабочее время. При нестационарном характере теплопоступлений часть теплоизбытков поглощают наружные и внутренние ограждения, а также оборудование помещений.
Чем больше теплоемкость ограждений помещений, тем больше они поглощают теплоизбытков, что уменьшает амплитуду колебания температуры воздуха. При этом, как следствие, роль автоматического регулирования теплоподачи в систему отопления снижается. Как известно, регулирование теплоподачи в систему отопления можно осуществлять в
системе здания в целом, в пофасадных частях системы, в горизонтальных поэтажных ветвях или путем индивидуального регулирования теплоотдачи отдельных отопительных
приборов и агрегатов. Автоматизированное регулирование теплоподачи в систему водяного отопления здания
в целом, осуществляемое в тепловом пункте при вводе наружных теплопроводов, позволяет корректировать график центрального качественного регулирования и
частично учитывать теплопоступления от солнечной радиации. Исследования, проведенные в системе водяного отопления 16-этажного жилого здания в Москве, показали, что
теплоподача по скорректированному графику регулирования позволяет экономить 4,3  % расхода теплоты за четыре последних месяца отопительного сезона. За весь сезон в условиях Москвы экономия при этом доходит до 6-8 %. Автоматизированное пофасадное регулирование частей системы отопления сопровождается дальнейшим сокращением теплозатрат (до 12 %) по сравнению с теплозатратами при
обычном центральном качественном регулировании. При пофасадном регулировании контроль работы частей системы отопления проводят по
3-4 неблагоприятно расположенным (обычно недогревающимся) помещениям.
Это вызывает перегревание других помещений. Более эффективно в отношении экономии тепловой энергии автоматическое регулирование теплоподачи в отдельные крупные помещения горизонтальными поэтажными ветвями
системы водяного отопления. При таком поэтажном регулировании температура воздуха в обслуживаемых помещениях поддерживается на заданном уровне с помощью регуляторов прямого действия с точностью ±1,5 °С.

Аналогично по эффективности автоматическое регулирование теплоподачи индивидуальными регуляторами, устанавливаемыми на теплопроводах отопительных приборов или агрегатов. При таком способе регулирования полезно используются (в отношении экономии теплозатрат на отопление) теплопоступления в помещения от людей, бытовых приборов, солнечной радиации, электрического освещения и оборудования идругих источников, а также учитывается неблагоприятное воздействие ветра. Особенно существенная экономия теплоты достигается при прерывистом отоплении зданий с переменным режимом работы.

5. Прерывистое отопление зданий

В зданиях и сооружениях с переменным тепловым режимом  прибегают к понижению температуры помещений в нерабочие периоды суток. Для этого применяют прерывистое отопление с понижением или полным отключением теплоподачи.При сокращении теплопоступлений от системы отопления по сравнению с теплоподачей в
рабочий период суток в помещениях наблюдаются колебания температуры воздуха и радиационной температуры. В сухих производственных помещениях возможно понижение температуры в нерабочий
период до 5 °С. В помещениях общественных зданий можно также допустить в нерабочий
период суток понижение температуры, но до такого уровня, чтобы избежать конденсации
водяного пара воздуха на внутренней поверхности наружных ограждающих конструкций
(за исключением световых проемов). Устанавливается также недельная периодичность теплового режима, связанная с субботне-воскресным (или только воскресным) перерывом в работе. Недельная периодичность
нарушается только в дни праздников.

Продолжительность нагревания помещения отличается в рабочие дни и после воскресенья, так как исходная температура помещения различна. Прерывистая теплоподача вызывает периодические изменения температуры помещения,
зависящие от теплотехнических свойств его ограждений, величины и продолжительности
теплопоступлений. Конвективная теплота от отопительной установки поступает в воздух
помещения и от него передается внутренней поверхности ограждений. Температура воздуха и радиационная температура несколько отличаются, и их изменение не совпадает во
времени.

При прерывистом отоплении минимальная температура помещения, которая устанавливается к концу периода отключения отопления (режима охлаждения), зависит от теплоустойчивости, а также теплозащитных свойств наружных ограждений этого помещения. Расчеты показывают, что при прерывистом отоплении помещений повышенной теплоустойчивости теплозатраты возрастут на 4...5 % по сравнению с затратами на отопление помещений пониженной теплоустойчивости.