1. Наиболее распространённые схемы теплоснабжения зданий офисных назначений

Система теплоснабжения здания офисного назначения имеет несколько выделенных подсистем. Например, подсистема горячего водоснабжения (ГВС) предназначена для удовлетворения спроса потребителей в горячей воде. Подсистемы отопления и вентиляции предназначены в том числе для создания комфортного микроклимата в здании. В зависимости от архитектурных особенностей объекта доли теплопотребления, затрачиваемые на нужды систем отопления и вентиляции, могут быть различными.

В случае применения в наружных стенах кирпичных или монолитных материалов, а также панелей ЖБИ с точки зрения технико-экономической целесообразности имеет смысл устанавливать настенные радиаторы, обеспечивающие от 50 до 90% тепловых притоков. При применении панорамного остекления навешивание радиаторов на стены становится невозможным. В таких случаях используются встраиваемые в пол конвекторы с принудительной конвекцией. Ввиду ограниченности площади теплообмена внутрипольных конвекторов недостаток теплопритока компенсируется за счёт системы вентиляции. В подобных схемах в здания через систему отопления может поступать 20–25% тепловой энергии, а через систему вентиляции — 75–80%.

Вентиляционные установки второго типа требуют обеспечения высокой точности и низкой инерционности регулирования подачи тепловой энергии. Следовательно, автоматическая система регулирования и управления приточно-вытяжными установками (ПВУ) должна отвечать нескольким требованиям:

1. Энергетическая эффективность

2. Достаточная чувствительность к изменению контролируемых параметров.

3. Достаточная точность измерений.

4. Возможность проведения прогнозных расчётов спроса на тепловую энергию с учётом изменений погодных показателей на несколько часов вперёд.

Повышение энергетической эффективности в компактных приточно-вытяжных установках достигается путём применения, например, роторного рекуператора. Соответствие пп. 2 и 3 достигается за счёт применения улучшенных измерителей и алгоритмов обработки данных. Проведение краткосрочных прогнозных расчётов может быть достигнуто за счёт формирования сценарных расчётных тепловых балансов.

2. Составляющие теплового баланса

Приточная вентиляционная установка является составляющей частью системы, обеспечивающей тепловой приток. Следовательно, система будет функционировать тем точнее, чем точнее будет прогноз тепловых потерь. К ним относятся потери через ограждающие конструкции (трансмиссионные) и инфильтрационные.

Трансмиссионные потери включают потери через светопрозрачные конструкции (окна), входную группу (двери), стены, кровлю, пол и фундамент. Инфильтрационные потери возможны через окна, входную группу (двери), ограждающие конструкции (с учётом ветровой нагрузки), систему естественной вентиляции.

Для случая фасадного остекления здания существенно возрастают потери через светопрозрачные ограждающие конструкции. Для численного определения потерь данного вида необходимо выявить тип окон, которым могут соответствовать термические сопротивления (табл. 1).

Расчёт тепловых потерь через окна также потребует исходных данных:

  • число дверей nокон, ед.;
  • температура внутреннего воздуха — tвнутр.возд, °C;
  • расчётная температура наружного воздуха — tнаружн.возд, °C;
  • длина типового окна — lокон, м;
  • высота типового окна — hокон, м;
  • год установки окон Tокон, на основании которого вычисляются возраст окна и коэффициент старения.

Возраст окна рассчитывается как:

T = N — Tокон, (1)

здесь T — возраст окна; N — текущий год.

Коэффициент старения k лежит в диапазоне [0; 1]. Если здание новое, то принимается k = 1, если зданию 40 лет и более, то k = 0,35, при возрасте здания 1–40 лет коэффициент определяется по формуле:

k = 1–0,0169T. (2)

Расчёт тепловых потерь производится по следующей формуле:

Для расчёта инфильтрационных потерь используется табл. 2 и формула:

Qокон.инф = 1,005×4000×2,388×10–7×(tвнутр.возд — tнаружн.возд)nокон×(2lокон + 2hокон)qокон.инфaокон.притвор. (4)

В случае, если на рассматриваемом объекте существует несколько типов окон или окон с разной геометрией, либо окон различного возраста, то формулу (3) необходимо применять для каждого из типов окон с последующим суммированием результатов.

Очевидно, что для онлайн-мониторинга необходима в первую очередь информация о динамично изменяющихся значениях температуры внутреннего воздуха в помещении и температуры воздуха на улице у окна. Актуальным в данном случае является вопрос о применяемом способе измерения.

3. Способы измерения температуры воздуха для АСУ системы вентиляции

Существует достаточно развитое множество термометров для измерения температур жидкостей и газов. По принципу действия можно выделить, например, жидкостные термометры [1], работающие за счёт эффекта расширения или сжатия жидкости при разных температурах. Для применения в системах вентиляции в качестве жидкости пригодны спирт и ртуть. К недостатку жидкостных термометров можно отнести медленное реагирование на изменение температуры.

Газовые термометры [2] работают аналогично жидкостным, только средой выступают инертные газы, невидимые для человеческого глаза. К недостатку газовых термометров относится необходимость применения дополнительных механизмов для снятия показаний.

Жидкостные и газовые термометры можно отнести к манометрическим термометрам [3] (при наличии дополнительных механизмов), в которых датчик измеряет давление жидкости или газа в замкнутом пространстве.

Механический термометр [4] работает по принципу температурного расширения, но вместо воды используется пружина. Стандартный механический термометр может работать в диапазоне температур −30…+60°C, однако этот диапазон напрямую зависит от материала и размера используемого чувствительного элемента.

Электрические термометры разделяют на термометры сопротивления [5] и термоэлектрические [6]. В термометрах сопротивления при изменении температуры изменяется активное сопротивление.

К их преимуществам можно отнести:

  • высокую точность измерений (обычно менее ±1°C);
  • возможность исключения влияния сопротивления линий связи на результат измерения при использовании трёх- или четырёхпроводной схемы измерений;
  • практически линейная характеристика и пр.

Как недостатки следует рассматривать:

  • относительной малый диапазон измерений (несущественный недостаток для систем общеобменной вентиляции);
  • необходимость использования специальных схем подключения для обеспечения повышенной точности, что увеличивает стоимость внедрения;
  • точность измерений может доходить до 0,00013°C, однако при существенно повышенной стоимости.

Принцип действия термоэлектрических термометров основан на свойстве металлов, сплавов и некоторых неметаллических материалов создавать термоэлектродвижущую силу при нагревании места соединения (спая) двух разнородных проводников или полупроводников. К существенному недостатку данного метода можно отнести небольшое значение создаваемой термо-ЭДС, что требует дополнительного усилителя.

Оптический термометр (пирометр) [7] измеряет инфракрасное излучение от объекта. По основному принципу действия различаются оптические и инфракрасные пирометры, работающие, соответственно, в спектре видимого света и инфракрасного излучения. Однако их применение в системах вентиляции нерационально ввиду повышенной стоимости и необходимости измерять не температуру поверхности, а температуру потока газа либо жидкости.

Помимо перечисленных выше распространённых видов термометров существуют и редко применяемые. Например, термометр Галилея [8], измеряющий температуру с помощью силы Архимеда и представляющий собой шарики разного объёма и массы, погружённые в сосуд с жидкостью. При изменении температуры (следовательно, и плотности) воды шарики изменяют глубину своего погружения. Данный способ измерения неприменим в системах вентиляции.

С точки зрения теории и практики инженерного эксперимента выделяют несколько доступных к применению физических и химических принципов. Для области энергетики — это тепло, холод, электричество, магнитное поле, звук, вибрация, свет, ядерные силы, гравитация, кинетическая энергия, сила Архимеда, сила упругости пружины или иного упругого элемента, гидрои пневмомеханический, химический, биологический и пр.

Каждый из перечисленных принципов может быть применён для функционирования термометров и расходомеров, применяемых в компактных приточно-вытяжных установках с роторным рекуператором. На основе доступных принципов действия составлена диаграмма полноты их использования (рис. 1).


Рис. 1. Физико-химические принципы измерения температуры, доступные для применения в компактных приточно-вытяжных установках с роторным рекуператором

На основе представленной классификации можно сделать вывод: в настоящее время использованы не все возможные принципы. Например, возможно использование биолюминесценции, то есть организмов, меняющих окрас от температуры окружающей среды, что для применения в установках вентиляции непрактично.

Химический принцип также возможно использовать как основу молекулярного термометра [9], работающего с веществами, между которыми проходит обратимая реакция. При изменении температуры воздуха начинает преобладать один из двух процессов — прямой или обратный, и так можно отследить изменение температуры. Ограничением будут служить чувствительность химической реакции к изменению температуры и, соответственно, скорость протекания этой реакции.

Также ведутся разработки для использования термошумового термометра [10]. Принцип его действия основан на зависимости скорости распространения звуковых волн от температуры и плотности среды. Термошумовой термометр в теории мог бы подойти для измерения температуры в системах вентиляции.

Существуют также термометры, основанные на зависимости квадрупольного ядерного резонанса [11] от температуры. Однако квадрупольные термометры предназначены в основном для измерения сверхнизких температур.

Итак, можно сделать вывод о максимальной полноте физических принципов, используемых в настоящее время в компактных приточно-вытяжных установках с роторным рекуператором для измерения температуры воздушного потока и температуры жидкости. Главными критериями при выборе типов датчиков температуры будут технико-экономические параметры: компактность, удобство эксплуатации, долговечность, цена.