При разработке систем водяного отопления также ориентируются на зарубежные аналоги, не учитывая при этом всего комплекса сопутствующих проблем. В передовых зарубежных странах для отопления зданий в основном применяют двухтрубные горизонтальные системы водяного отопления с местным («по возмущению») и индивидуальным регулированием с помощью радиаторных термостатов.
Источниками теплоты являются низкотемпературные тепловые сети, индивидуальные газовые котлы (работающие на природном или сжиженном газе), гелиосистемы и «солнечная архитектура» зданий. Используются также котлы для сжигания дров и прессованных древесных отходов с эффективной автоматизацией процесса горения. Теплопроводы выполняются из медных, металлопластиковых и полимерных труб с использованием соответствующей запорно-регулирующей арматуры и электронной системы комплексного автоматического управления.
Работоспособность и энергоэффективность систем обеспечивается соответствующими сервисными и консультационными службами, а также организациями, осуществляющими энергетический аудит. Не представляется же возможным использование данного опыта в массовом отечественном строительстве по целому ряду причин.
Во-первых, отечественная промышленность в основном не производит подобного оборудования и в ближайший период не следует ожидать широкого спроса на данные технологические изделия и материалы ввиду их высокой для отечественного потребителя стоимости. Во-вторых, существующий уровень квалификации широкой сети эксплуатационных служб не соответствует и в обозримом будущем не будет соответствовать уровню профессиональной квалификации, требуемому для эксплуатации современных отопительных систем.
В-третьих, для современных двухтрубных систем водяного отопления выполняется гидравлическая регулировка с помощью балансировочных клапанов на подводках каждого отопительного прибора. В многоквартирных домах с помощью этих же клапанов жильцы самовольно увеличивают расход теплоносителя через радиаторы своей квартиры, тем самым абсолютно разрегулируя систему. В-четвертых, периодическое отключение электроэнергии приводит к неработоспособности современных систем отопления.
Наконец, в-пятых, существующие нормативные методы теплогидравлического расчета систем отопления составлены для стабилизированных теплогидравлических режимов работы систем и не соответствуют динамическим процессам работы современных автоматизированных систем отопления. Анализ указанных обстоятельств приводит к выводу о необходимости иных технических решений в отличие от существующих в развитых странах с целью создания экономичных систем отопления, позволяющих реализовать массовое строительство индивидуальных и многоквартирных, административных и производственных зданий с эффективным использованием энергии (ЗЭИЭ).
Система отопления ЗЭИЭ рассматривается в качестве звена единого энергопотребляющего комплекса-здания с комплексной автоматизацией систем, обеспечивающей в течение года реальное и эффективное использование внутренних тепловыделений, солнечной энергии, а также утилизируемой энергии удаляемого воздуха и канализационных вод. Утилизируемая энергия при этом может взаимно перераспределяться в оптимальной пропорции между отопительными, вентиляционными и водоснабжающими системами.
Тепловые сети
Рассматриваются два варианта подключения системы отопления — по зависимой и независимой схеме. Зависимая схема подключения системы отопления к тепловой сети может быть реализована либо с помощью смесительных устройств, либо с помощью элеватора. Предлагается использование элеваторной схемы при дополнительном оснащении теплового узла двухпозиционным регулятором, который воздействует на обводной соленоидный клапан по факту отклонения температуры удаляемого воздуха в вентиляционном коллекторе.
Оборудование рассчитывается на переключение мощности системы отопления примерно на 30 % относительно расчетного значения. При временном отключении электроэнергии тепловой узел работает в обычном режиме элеваторного узла. Экспериментальные системы с использованием простейших элементов фирм Grundfos и Herz показали высокую надежность и простоту эксплуатации. Данная схема в особенности приемлема для реконструкции существующих элеваторных узлов, т.к. работы могут быть выполнены в отопительный период при общей стоимости от $ 500 до $ 1500.
Аналогом предложенной системы можно считать схему с местными пропусками, по которой в 1948–1950 годах в городе Москве были смонтированы и в течение два-три лет эффективно эксплуатировались системы отопления в нескольких десятках жилых домов. Независимая схема подключения отопления к тепловой сети может осуществляется либо традиционным путем с расположением оборудования в тепловом узле, либо с размещением индивидуальных узлов регулирования в виде распределительных шкафчиков непосредственно в обслуживаемых помещениях общественных или производственных зданий.
Общая стоимость индивидуального узла регулирования составляет от $ 300 до $ 500. Экспериментальные варианты таких систем показали себя простыми в эксплуатации при обеспечении требуемого качества регулирования.
Индивидуальные котельные
Анализ проблемы ограничивается отопительными водогрейными котлами малой мощности (до 100–150 кВт). Для сжигания газа и жидкого печного топлива в настоящее время в отечественной практике существует множество вариантов приспособления автоматизированных эффективных горелок к котлам отечественного производства. Однако данные виды топлива, а в последние годы и уголь являются недоступными для большинства индивидуальных застройщиков, особенно в сельской местности.
Используются в основном дрова, кусковой торф и торф-брикет. Существенный энергетический потенциал в данных условиях представляют древесные отходы, опилки, сгораемый мусор. При использовании традиционных твердотопливных отопительных котлов практически невозможно реализовать автоматизированную работу системы отопления без включения в отопительный контур теплоаккумулирующих устройств. Были разработаны и реализованы проекты таких систем на примере сельского индивидуального жилого дома и небольшого деревообрабатывающего предприятия.
Система отопления индивидуального дома рассчитана на насосную циркуляцию, а также на обеспечение 50 % требуемой мощности за счет гравитационной циркуляции (при отключении электроэнергии) для частичного сохранения работоспособности системы. Заправка бака-аккумулятора осуществляется без применения запорно-регулирующей арматуры. Горение топлива происходит в оптимальном режиме, так как протапливание проводится периодически (в течение одного-трех часов) и заканчивается по достижении температуры воды в баке-аккумуляторе 80–90 °C.
Отбор теплоты в систему отопления осуществляется автоматически путем включения-выключения насоса простейшим электроконтактным термостатом, расположенным в общей комнате. Расчетные параметры теплоносителя в системе отопления 75–55 °C. Для теплоснабжения деревообрабатывающего предприятия был разработан котел с кирпичной футеровкой с двумя топками и единой камерой сгорания.
Одна топка имеет традиционную для сжигания дров конструкцию, а вторая, предназначенная для сжигания опилок, выполнена в виде шахты со ступенчатыми сводами в своем основании. Использованы трубчатые нагревательные элементы в сочетании с двумя баками-аккумуляторами емкостью по 1,3 м3 со встроенными трубчатыми змеевиками. Баки расположены выше котла для обеспечения гравитационной циркуляции между ними и нагревательными элементами котла.
Система отопления работает при непрерывной насосной циркуляции с трехтрубным магистральным распределением по отдельным цехам, в каждом из которых установлен смесительный клапан стоимостью $ 40 с радиаторным термостатом прямого действия. Котел протапливается периодически при стабильной температуре топочного объема. Протапливание заканчивается по достижении температуры воды в бакеаккумуляторе 80–90 °C.
Солнечная энергия
Выявление энергоэффективной градостроительной структуры проводится на основании гелиотермического анализа климата и места застройки, что позволяет подготовить архитектурно-строительные решения каждого фасада ЗЭИЭ. Для отопления в развитых странах в основном применяют пассивные способы использования солнечной энергии, в т.ч. с помощью окон, форма которых (а также расположение их на южном фасаде дома) способствует облучению только поверхности пола, который аккумулирует теплоту солнечного излучения.
Из-за неприемлемости подобного решения в постсоветских условиях предлагается в качестве теплоаккумулирующих поверхностей использовать широкие подоконники (из бетона, камня), а также стены и потолки. Для горячего водоснабжения в настоящее время применяют насосные гелиосистемы с расположением гелиоколлекторов на наружной поверхности дома (на кровле или на стене). Удельная стоимость такой гелиосистемы составляет не менее $ 400 на 1 м2 гелиоколлектора.
В основном они имеют электронную систему управления насосом в двухпозиционном режиме регулирования, что приводит к снижению энергоэффективности по сравнению с проектными значениями. Предлагается комбинированная гелиосистема, состоящая из контуров с гравитационной и насосной циркуляцией. Солнечный коллектор помещается внутри неотапливаемого объема (зимнего сада, атриума или теплицы), температура в котором в зимний и переходный периоды на 10–15 °C выше температуры наружного воздуха.
Данное решение удачно реализуется для индивидуальных или блокированных ЗЭИЭ. Стоимость гелиосистемы составляет не более $ 100 на 1 м2 гелиоколлектора при увеличении среднегодовой тепловой эффективности почти в два раза по сравнению с существующими аналогами.
Тип системы отопления
Необходимо в максимальной мере использовать существующие отечественные производственные технологии и существующий проектный опыт при дополнительном введении элементов автоматизации высокой степени надежности и низкой стоимости. Предлагается для многоквартирных жилых ЗЭИЭ применять традиционные однотрубные вертикальные системы отопления из стальных труб с радиаторными трехходовыми термостатическими клапанами или с радиаторными термостатами большой пропускной способности.
Для гидравлической балансировки системы отопления достаточно использовать балансировочные краны только по стоякам. Для индивидуальных и общественных зданий возможно использование любого оптимального варианта. В частности, для производственных и общественных зданий был разработан и реализован экспериментальный вариант новой трехтрубной схемы теплопроводов системы отопления, позволяющей реализовать режимы качественного регулирования по отдельным помещениям. Стоимость смесительного узла регулирования для отдельного помещения не превышает $ 80.
Расчет тепловой мощности системы отопления ЗЭИЭ
Тепловую мощность системы отопления ЗЭИЭ предлагается определять с учетом способа регулирования Qот = Qт + Qи – Qб(1 – h1), устанавливая, таким образом, зависимость мощности системы отопления от качества ее автоматизации. Значение h1 = 0,8 при индивидуальном регулировании, 0,4 — при местном регулировании, и 0,2 — без регулирования.
Годовой энергетический баланс ЗЭИЭ
Годовой баланс ЗЭИЭ определяется суммой помесячных энергетических балансов по составляющим энергозатрат. Суммарное потребление теплоты на теплоснабжение ЗЭИЭ по каждому месяцу Qм.i [МДж], предлагается определять по выражению где Qс.м.i — поступления от солнечной энергии через окна южного фасада за месяц, МДж; Qт, Qи — суммарные трансмиссионные теплопотери здания и теплопотери вследствие воздухообмена [Вт], соответственно; Qб = 50lАп/Fп — бытовые теплопоступления, Вт; Ап — площадь пола жилых помещений, м2; Fп — средняя величина жилой площади на одного человека, м2/чел.; l — коэффициент, принимаемый в зависимости от способа регулирования системы отопления; tв, tн — расчетная температура, соответственно, внутреннего и наружного воздуха (параметры «Б»); tм.i — среднемесячная температура.
Величина Qб включает, кроме бытовых теплопоступлений, утилизированную энергию тепловых сбросов. Чтобы практически реализовать расчетный тепловой баланс ЗЭИЭ, необходим комплексный подход к проектированию инженерных систем как составляющих элементов единого архитектурно-энергетического комплекса, каковым является здание.
