Инженерное оборудование для энергоэффективных зданий

Модернизация инженерного оборудования не обошла стороной современные жилые здания. Практически весь фонд многоэтажных зданий в стране оснащен общедомовыми системами учета и регулирования потребления тепловой энергии. Нормативы предусматривают обязательную уста­новку индивидуальных средств учета и регулирования потребления тепловой энергии, а также потребления горячей и холодной воды. Следующим шагом развития можно предвидеть автома­тическую дистанционную передачу данных об учете и регулировании потребления энергетических ресурсов на центральный пункт учета и распределения тепловой энергии и диспетчериза­ции, как это сделано в системах АСКУЭ для автоматизированного учета электрической энергии.

Основные задачи, решаемые в процессе совершенствования инженерного оборудования – повышение энергоэффективности зданий, комфорта проживания и эксплуатационных характери­стик. Неиспользованные резервы в нашей стране связаны с переходом к использованию при­нудительных систем вентиляции с утилизацией теплоты вентиляционных выбросов и альтерна­тивных источников теплоснабжения зданий.

В статье рассмотрены схемы современных систем принудительной приточно-вытяжной вентиля­ции с утилизацией тепла вентиляционных выбросов и тепловых насосов в системах теплоснабжения.

Конструктивные схемы организованного воздухообмена жилых зданий

Одной из основных особенностей организации вентиляции в жилых зданиях организация общего воздухообмена в квартирах, когда свежий воздух поступает в жилые помещения, а уда­ляется из кухни, санузла и ванной комнаты. Для утилизации тепла вентиляционных выбросов удаляемый из квартиры воздух должен поступать на один из входов теплообменника, на вто­рой вход которого поступает свежий воздух. Таким образом, в жилых зданиях минимальный уровень централизации при организации воздухообмена – квартира. Такая организация возду­хообмена делает проблематичным использование индивидуальных (для каждой комнаты) утили­заторов теплоты с использованием теплообменных аппаратов типа «теплая форточка», так как вне воздухообмена остаются санузел и ванная комната. Дополнительный недостаток полностью децентрализованной системы состоит в том, что при такой организации воздухообмена отсут­ствует возможность использования избытков тепла в одной из комнат для нагрева воздуха в других помещениях. К этому можно добавить, что эффективность рекуператоров при индиви­дуальном использовании должна быть ниже того уровня, при котором возможно выпадение конденсата в канале уходящего воздуха, т.к. отсутствует возможность его удаления.

Следовательно, при организации воздухообмена в жилом здании необходимо обеспечить удаление воздуха из кухни, санузла и ванной комнаты каждой квартиры, теплообмен удаляе­мого воздуха с поступающим в теплообменник наружным воздухом и поступление свеже­го воздуха в жилые помещения. Тем не менее, при организации принудительного воздухообмена жилых помещений возможны варианты исполнения систем венти­ляции с различной степенью централизации.

На рис. 1 представлена централизованная схема вентиляции многоэтажно­го жилого здания.

Рисунок 1. Система вентиляции централизованного типа

Вентиляционные выбросы отдельных квартир через рекупера­тор вентиляционную шахту уходят наружу. Приток также организуется через об­щий приточный воздуховод, рекуператор и магистральными воздуховодами раз­водится по квартирам. В рекуператоре происходит воздухообмен между приточ­ным и вытяжным воздухом, из него выполняется отвод конденсированной вла­ги. Приток и вытяжка организованы общим приточным и вытяжным вентилято­рами. Этой схеме присущи недостатки, характерные для всех централизованных систем: отсутствие индивидуального регулирования, сложность наладки аэроди­намического режима системы, необходимость вентиляторов с большим напором и, как следствие, высокий уровень шумов установки. Поэтому такие схемы могут быть использованы для небольших зданий на 5 – 6 квартир или для индивиду­альных зданий на одну семью.

Более часто используются системы вентиляции с различной степенью децентрализации. Например, на рис. 2 приведена поэтажная схема вентиляции, в кото­рой централизация сочетается с индивидуальными приточным и вытяжным венти­ляторами, а также индивидуальными регуляторами в квартирах.

Рисунок 2 – Система вентиляции смешанного типа

Такая схема обе­спечивает хорошее регулирование воздухообмена в квартирах при сохранении централизованного воздухоснабжения. Такая схема вентиляции выполнена в проекте энергоэффективного здания для г. Караганды сотрудниками ГП «Институт жилища – НИПТИС им. Атаева С. С.».

Для многоэтажных зданий предпочтительнее выглядит децентрализованная система вентиляции с общей вытяжной вентиляционной шахтой, предложенная в [41-А, 67-А – 73-А]. Схема вентиляции представлена на рис. 3.

а)

б)

Рисунок 3 – Принципиальная схема вентиляции квартир многоэтажного здания с общей вытяжной вентиляционной шахтой и поквартирными вводами приточного воздуха (а) и общими приточной и вытяжной вентиляционными шахтами (б)

В каждой квартире имеется рекуператор тепла, приточный и вытяжной вентилятор, фильтры и дру­гие элементы системы. Для крупных городов с неудовлетворительным качеством воздуха целесообразно выполнить и общий забор воздуха с уровня верхних эта­жей. В схеме на рисунке 3а вентиляционные выбросы квартир различных этажей собираются в общую вентиляционную шахту. Дополнительно в данной схеме мо­жет быть введен общий вытяжной вентилятор.

При организации общей вытяжной вентиляционной шахты с целью исключе­ния проблем, связанных с возможностью конденсации влаги на наружной поверх­ности воздуховода, целесообразно расположить вытяжную вентиляционной шахту снаружи здания, где утепление шахты должно быть достаточным для исключения замерзания конденсата внутри шахты.

Недостатком такой схемы вентиляции является плохое качество воздуха на нижних этажах зданий больших городов, поэтому целесообразной является организация притока квартиры через общую приточную вентиляционную шахту, вход в которую расположен на верхних этажах здания [41-A], как показано на рисун­ке 3.б. Определение потерь давления на участках системы вентиляции и расчет необходимой производительности как квартирных, так и центральных вентиля­торов для схем рис. 3 представляет собой отдельную задачу, решение которой приведено в приложениях Б5 и Б6.

Независимо от принятой схемы вентиляции необходимо обеспечить приток воздуха в комнаты квартир и удаление отработанного воздуха.

Поскольку действующие нормативы [28] запрещают объединение вытяжных вентиляционных каналов кухни и санузла, в туалете сохраняется вытяжная вентиляционная шахта с естественным побуждением. С целью экономии энергии, на входе в канал установлены клапан и вентилятор, включаемые в работу только при включении света в туалете.

К недостаткам приведенных выше систем вентиляции можно отнести необходимость прокладки приточных воздуховодов внутри квартир здания. Это накла­дывает определенные ограничения на требования интерьера зданий и уменьша­ет объем квартир.

В [1-А, 41-А] предложена схема вентиляции, представленная на рис. 4, свободная от указанного недостатка и, в какой-то степени, повторяющая схему с естественным побуждением. Воздух удаляется из квартир через общую вентиля­ционную шахту и поступает на вход теплообменника-утилизатора, удаляясь с со­ответствующего выхода теплообменника в окружающее пространство. На второй вход теплообменника поступает наружный воздух, проходит через теплообмен­ник и с его выхода направляется в воздушную прослойку в системе теплоизоля­ции здания. Из воздушной прослойки свежий воздух через отверстия, которые могут быть расположены в подоконной части жилых помещений, над отопитель­ными элементами. Движение воздуха происходит под действием вытяжных вен­тиляторов, расположенных в отверстиях вытяжных вентиляционных шахт в каж­дой квартире, как это показано на рисунке. С целью исключения возможности попадания пыли из прослойки в приточный воздух возможна доставка воздуха в квартиры воздуховодами, расположенными в прослойке теплоизоляции. Наибо­лее удобна реализация такой схемы при выполнении энергоэффективной рекон­струкции зданий старого жилого фонда.

Рисунок 4 – Схема вентиляции здания с вентилируемой прослойкой

1. Вытяжной вентилятор; 2. Рекуператор; 3. Нагнетательный вентилятор; 4. Распределитель; 5. Теплоизоляция; 6. Воздушная прослойка; 7. Стена; 8. Вытяжная вентиляционная шахта; 9. Входной канал в воздушную прослойку; 10. Выходной канал из воздушной прослойки.

Представленные схематично на рис. 1 – 4 системы реализованы в проектах энергоэффективных зданий.

Об использовании тепловых насосов в системах отопления зданий

За последние 30 лет мировое потребление энергии выросло почти в два раза и составило в 2000 году 12,3 млрд т. у. т. Среднегодовые темпы прироста миро­вого энергопотребления составили 2,7 %. [1].

Одним из путей снижения уровня закупок энергоносителей является приме­нение новых энергосберегающих технологий, использующих нетрадиционные возобновляемые источники энергии (НВИЭ). Преимущества технологий, использующих НВИЭ, по сравнению с их традиционными аналогами связаны не только со значительными сокращениями затрат энергии в системах жизнеобеспечения зда­ний и сооружений, но и с их экологической чистотой, а также с новыми возмож­ностями в области повышения степени автономности систем жизнеобеспечения. Перспективной областью их внедрения являются системы энергоснабжения зда­ний. При этом одним из наиболее эффективных в настоящее время считается ши­рокое применение теплонасосных систем теплоснабжения (ТСТ), использующих в качестве повсеместно доступного источника тепла низкого потенциала, в частно­сти, грунта поверхностных слоев земли, воздуха, грунтовых вод, водоемов и пр.

Эффективность работы тепловых насосов в зависимости от условий эксплуатации

Экономическая эффективность использования тепловых насосов для отопления и горячего водоснабжения зданий определяется значением коэффициента преобразования (трансформации) тепла (СОР). Значение СОР, равно отношению количе­ства тепловой энергии, отданной ТН в систему отопления здания к электрической энергии, затраченной на работу компрессора, Эффективность тепловых насосов увеличивается при уменьшении разности температур испарителя и конденсатора.

Величина СОР зависит от многих факторов, важнейшим из которых является температура, до которой нагревается теплоноситель. На рисунке 5 для ТН типа грунт/жид­кость приведены зависимости значения СОР от температуры теплоносителя. Из при­веденных зависимостей можно сделать вывод, что для эффективной работы теплового насоса необходимо минимизировать температуру теплоносителя в системах отопления.

Регулирование параметров теплоносителя в системах отопления осуществляется по температурному графику. На рисунках 6, 7 и 8 приведены температурные графи­ки, для традиционного водяного, напольного и воздушной систем отопления соответственно. Графики на рисунке 4 построены для условий, приведенных в таблице 1. Рассмотрено два варианта применения систем воздушного отопления – в энергоэф­фективном доме с рекуперацией тепла вытяжного воздуха и в стандартном здании.

Таблица 1

Рисунок 5 – Зависимость значения СОР ТН типа грунт/жидкость от температуры, до которой нагревают теплоноситель

Рисунок 6 – График изменения температуры воды системы традиционного водяного отопления от температуры наружного воздуха

T1 -температура подаваемой воды в теплосети;

t2 - температура подаваемой воды в местной системе отопления (при 105 -70 °С);

t3 - температура подаваемой воды в местной системе отопления (при 95 - 70 °С),

t0 - температура обратной воды в местной системе отопления.

Рисунок 7 – Изменение температуры теплоносителя в системе напольного отопления в зависимости от температуры наружного воздуха

1, 2 - температура воды, подаваемая от системы теплоснабжения; 3 - температура воды, подавае­мая в систему отопления; 4 – температура воды на выходе из системы отопления

Обеспечение требуемой температуры подаваемого в систему напольного ото­пления теплоносителя tг, т.п (рисунок 7, на графике прямая 3) обычно осущест­вляется путем подмешивания к воде, подаваемой от системы теплоснабжения здания с расходом Gг и температурой tг (прямые 1 или 2), охлажденной воды на выходе из системы напольного отопления в количестве Gохл с температурой tо , т.п (прямая 4). Для примера на рисунке 7 расчетные значения температурных па­раметров (при tн = -30 °C) приняты tг = 95°C, tг , т.п = 45°C и tо, т.п= 30 °C, а рас­четная температура воздуха tв в отапливаемом помещении для построения гра­фика качественного регулирования задана 20 °C. На рис. 8 представлены графи­ки температуры воздуха в системе воздушного отопления для энергоэффектив­ного, с принудительной вентиляцией и рекуперацией тепла, и обычного зданий. Из приведенных графиков можно сделать вывод, что косвенно снижение удель­ного потребления тепловой энергии на отопление приводит к снижению темпе­ратуры теплоносителя в системе отопления и повышению эффективности рабо­ты теплового насоса.

Рисунок 8 – Зависимость температуры приточного воздуха воздушного отопления от температуры наружного воздуха

С целью сравнительного анализа использования ТН с различными система­ми отопления были определены значений СОР для трех рассмотренных вариан­тов систем с учетом приведенных на рис. 2 – 4 отопительных графиков. Опреде­ление среднего в течение отопительного сезона значения СОР выполнялось по формуле (1).

где Tk – значение температуры наружного воздуха в к – м интервале темпе­ратур; °C;

Nk – количество дней отопительного периода с значением температуры Tk ; для условий г. Минска;

N - общее количество дней отопительного периода;

K - количество температурных интервалов.

На рисунке 9 приведены графики зависимости СОР от температуры наруж­ного воздуха, рассчитанное по приведенной выше методики для трех типов си­стем отопления: традиционного водяного с отопительными элементами, наполь­ной системы отопления, и воздушного отопления. Средние значения СОР, рассчи­танные по формуле (1) для указанных типов отопления приведены в таблице 2.

Рисунок 9 Графики зависимости СОР от температуры наружного воздуха

Таблица 2

Из графика на рисунке 6 видно, что наиболее высокое значение СОР в диа­пазоне от 0 °С до минус 25 °С имеет система напольного отопления с примене­нием тепловых насосов, при этом даже при снижении температуры наружного воздуха до минус 25, значение СОР не становится ниже 3,8. Соответственно си­стему напольного отопления можно использовать без дополнительных источни­ков энергии на протяжении всего отопительного периода.

Эффективность применения систем воздушного отопления с тепловыми насо­сами приемлема при температуре наружного воздуха до минус 15 °С, при даль­нейшем снижении температуры наружного воздуха целесообразно комбинирован­ное применение систем воздушного отопления с другими системами отопления.

Применение систем традиционного водяного отопления нецелесообразно.

Из приведенных в таблице 2 и на рисунке 9 данных расчетов можно сделать вывод, что с точки зрения эффективности использования тепловых насосов в наибольшей степени подходит напольное отопление.

Заключение

Анализ схем применения систем принудительной приточно-вытяжной венти­ляции с рекуперацией тепла вентиляционных выбросов может быть полезен при проектировании энергоэффективных жилых зданий.

Использование тепловых насосов в системах теплоснабжения зданий должно быть увязано с типом используемой системы теплоснабжения зданий.