Расчётная мощность систем отопления

Статья подготовлена на основе материалов сборника докладов VI Международной научно-технической конференции "Теоретические основы теплогазоснабжения и вентиляции" НИУ МГСУ.

Представленный анализ методов создания и поддержания теплового режима помещений в холодный период года не является альтернативой общепринятым и апробированным практикой методикам расчёта, конструирования и эксплуатации систем отопления. Рассмотрены пути повышения энергоэффективности на стадиях проектирования и эксплуатации систем теплообеспечения зданий.

Физический смысл теплового баланса помещений в холодный период года заключается в поддержании расчётной температуры внутреннего воздуха системами отопления.

Тепловой баланс составляется для расчётных условий, при которых возникает наибольший дефицит теплоты ΔQ, показывающий количественную характеристику мощности системы отопления:

где Q_огр — потери теплоты через наружные ограждения; Q_ин — расход теплоты на нагрев инфильтрационного воздуха; Q_т-б — технологические или бытовые поступления (расходы) теплоты. Технологические или бытовые поступления (расходы) теплоты Q^ для промышленных зданий в формуле (1) логично определять для периодов технологических циклов с наименьшими тепловыделениями.

При отсутствии в квартирах жильцов (а в общественных зданиях — обслуживающего персонала) какие-либо дополнительные тепловыделения Q_т-б отсутствуют, а расчётные температурные параметры воздуха должны поддерживаться именно в этих условиях. Поэтому зависимость (1) для жилых и общественных зданий должна иметь вид:

В сельскохозяйственных зданиях животные, птицы и хранящееся сочное растительное сырье в процессе своей жизнедеятельности выделяют явную теплоту. Рациональный подбор теплофизических характеристик наружных ограждений таких помещений за счёт утилизации явной теплоты позволяет отказаться от искусственно генерируемой теплоты. Поэтому для них Q_от = 0.

Потери теплоты через наружные ограждения Q_огр при расчёте тепловой мощности систем отопления определяются как сумма потерь через все ограждения следующим образом:

причём расшифровка обозначений в (2) приведена в статье далее.

Не претендуя на полноту освещения всех вопросов по эффективному использованию теплоты, рассмотрим соответствие закономерностей её переноса некоторым современным рекомендациям.

Физический смысл теплового баланса помещений в холодный период года заключается в поддержании расчётной температуры внутреннего воздуха системами отопления. Тепловой баланс составляется для расчётных условий, при которых возникает наибольший дефицит теплоты

Расчётная площадь ограждающих конструкций А [м²] вычисляется с соблюдением определённых условно принятых правил обмера, которые стабильны с первой половины ХХ века.

Значения коэффициента n, понижающего расчётную разность температуры, приведены в нормах. Термодинамическая основа коэффициента n показывает полноту использования энергетического потенциала теплоносителя системами отопления.

Следует внести в нормативы значения коэффициента n для многоквартирных домов, например: лифтовые холлы домов с наружными пожарными лестницами; для застеклённых лоджий и т.п.

Разность температуры внутреннего t_в и наружного t_н5 (холодной пятидневки) воздуха определяет максимальную величину переноса теплоты из помещения в атмосферу. Менее изученным является расчёт потерь или поступлений теплоты через внутренние ограждения смежных помещений. В литературе отсутствуют теплофизические или экономические объяснения снижению существующей ранее разности температуры (от 5 до 3 °C). Следствием этого является возникновение расчётных тупиковых ситуаций, например, нестационарный по функциональному назначению температурный режим ванных (t_в = 25 °C) и окружающих помещений (t_в = 20 °C).

Определение добавок к основным потерям теплоты помещений (ΣΒ, доли) относится до настоящего времени к наименее изученному вопросу:

Принятие существующих добавок на ориентацию по сторонам горизонта β_ст.г на все стороны, кроме юга и юго-запада, объясняется уменьшением количества получаемой лучистой энергии и более низкой температурой поверхностей вертикальных наружных ограждений. Реально наиболее холодный период суток приходится на ночные часы при отсутствии лучистого теплопритока.

Данные добавки считаются традиционными, однако они противоречат физическим закономерностям определения максимального дефицита теплоты в помещениях. Они не должны учитываться при расчётах мощности систем отопления, то есть Β_ст.г = 0.

При определении добавок на "врывание" наружного воздуха Β_н.д в момент открывания наружных дверей, не оборудованных воздушно-тепловыми завесами, следует учитывать два обстоятельства. Во-первых, в современных многоквартирных жилых и в общественных зданиях традиционные внутренние лестничные клетки или отсутствуют, или их ограждения непосредственно не контактируют с атмосферой. Для таких зданий Β_н.д = 0. Во-вторых, общепринятый термин "кратковременное открывание дверей" (частота открывания дверей) зависит в жилых зданиях от количества проживающих в подъезде, а в общественных — от количества посетителей. Этот факт следует конкретизировать непосредственно для количественного обоснования величины Β_н.д. Имеются предложения для общественных зданий принимать значение Β_н.д = 5-6 [2].

Отсутствие в нормативной и справочной литературе конкретных значений добавок на высоту помещений гражданских зданий Β_t вызывает необходимость проведения расчётов температуры воздуха по высоте помещений различного назначения, что снижает точность расчётов дефицита теплоты.

Сопротивления теплопередаче наружных ограждающих конструкций R_o[м²-°С/Вт] является основной теплотехнической характеристикой при расчёте элементов конструкций теплового контура зданий. Величина R_o глади непрозрачных конструкций должна быть не менее минимально допустимого по санитарным нормам требуемого сопротивления теплопередаче R_o^тр, то есть R_o ≥ R_o^тр. Данное условие — необходимое, но недостаточное из-за отсутствия экономических показателей теплозащитных характеристик ограждений, которые определяются значениями оптимального сопротивления теплопередаче R_o^опт. Если R_o^опт ≥ R_o^тр, то выполняются и санитарные, и экономические требования.

Требуемое сопротивление теплопередаче R_o^тр равно:

Значения R_o^тр окон и балконных дверей, витрин и витражей, фонарей, а также наружных дверей и ворот подробно рассмотрены и обоснованы в нормативной и справочной литературе. Основной регламентирующей величиной в формуле (4) является разность температуры воздуха t_в и внутренней поверхности τ_в ограждения Δt^н = (t_в - τ_в), которая для различных помещений с учётом санитарных требований и недопустимости конденсации влаги на поверхностях приведена в [3].

Экономически целесообразный предел снижения потерь теплоты за счёт дополнительного утепления наружных ограждений сводится к нахождению значений минимальных приведённых затрат, то есть к определению оптимального сопротивления теплопередаче R_o^тр.

Экономически целесообразный предел снижения потерь теплоты за счёт дополнительного утепления наружных ограждений сводится к нахождению значений минимальных приведённых затрат

Профессором Л. Д. Богуславским решены задачи нахождения значений R_o^тр наружных ограждений зданий любой сложности [4, 5]. Они чётко прослеживают динамику затрат во времени на системы отопления, отчисления на амортизацию и текущий ремонт, изменения стоимости тепловой энергии и другие факторы.

С некоторыми упрощениями в конечном виде оптимальное сопротивление теплопередаче равно:

где t_о.п и n_о.п — средняя температура [°C] и продолжительность [ч/год] отопительного периода; С_т — стоимость теплоты, руб/Вт-ч; T — нормативный срок окупаемости капитальных вложений, 1/год; λ_из — коэффициент теплопроводности тепловой изоляции, Вт/(м-°С); С_из — стоимость тепловой изоляции, руб/м³. Таким образом, имеется разработанная, физически и экономически обоснованная, апробированная практикой и понятная для инвесторов методология оптимизации теплотехнических характеристик наружных ограждений зданий.

Поэтому странно и совершенно необоснованно звучит положение, высказанное в редакционной статье журнала АВОК об отсутствии каких-либо отечественных научных и практических разработок по созданию энергоэффективного теплового контура зданий [6]: "...было решение “сверху" о необходимости повышения теплозащиты зданий и экономии топливно-энергетических ресурсов, и обосновать требуемое директивное повышение экономическими расчётами не представляется возможным... необходимые показатели для экономических расчётов отсутствуют... И пора создать научно обоснованную методологию определения уровня теплозащиты здания на основе экономической целесообразности...".

Градусо-сутки отопительного периода. В СНиП "Тепловая защита зданий" [3] представлена трактовка оптимизации коэффициента теплопередачи (сопротивления теплопередаче) теплового контура зданий. Там же во введении говорится о мерах ". по сокращению расхода тепловой и электрической энергии путём автоматического управления и регулирования оборудования и инженерных систем в целом.". Прежде чем перейти к анализу предлагаемого нового варианта оптимизации сопротивления теплопередаче ограждений, укажем на ошибочность или небрежность в употреблении понятий в приведённом утверждении. Расход тепловой энергии Q_от — первичная величина, которая задана в соответствии с расчётом для поддержания требуемого температурного режима в помещении. Любое управление или регулирование оборудования и инженерных систем в течение отопительного периода является только методом борьбы с перерасходом тепловой энергии в процессе неэффективной эксплуатации систем теплообеспечения зданий.

Рекомендовано [3] нахождение величины R_o^тр практически для всех видов зданий и сооружений принимать по табличным данным в зависимости от градусо-суток отопительного периода (ГСОП) района строительства:

По своей физической сущности величина ГСОП является одной из интегральных характеристик тепловой производительности системы отопления здания за отопительный период. На рис. 1 видно соотношение фигур, когда количественно величина ГСОП (площадь прямоугольника g-h-i-k) равна площади фигуры a-b-c-d-e-f-a, показывающей динамику расхода теплоты за отопительный период.

Пытаясь показать значимость разработанного СНиП [3], его авторы во введении приводят странную по научному, техническому и инженерному содержанию фразу, ни в коей мере не соответствующую нормативному документу: "Нормы по тепловой защите зданий гармонизированы с аналогичными зарубежными нормами развитых стран". Как понимать основное слово предложения "гармонизировать" в научной или инженерной деятельности? А какие станы считать "развитыми": тёплую Италию, относительно холодные Скандинавию и США или Китай с Индией?

Температура холодной пятидневки t_н5, а не средняя температура отопительного периода t_о.п определяет суровость или мягкость холодного периода года. Поэтому полученные на основе t_о.п величины ГСОП не могут влиять на нормирование или конструктивное исполнение теплового контура зданий.

Значения требуемого сопротивления теплопередаче R_o^тр приведённые в [3], линейно увеличиваются пропорционально ГСОП. Однако в тепловой баланс при определении мощности систем отопления входят затраты теплоты на нагрев инфильтрационного воздуха. Поэтому пропорциональность теплозащитных характеристик ограждений и значений ГСОП не является обоснованной, как физически, так и математически. Потери теплоты через ограждения связаны с их сопротивлением теплопередаче гиперболической зависимостью и повышение величины R_о целесообразно лишь до определённого предела.

Например, увеличение R_о наружных стен в животноводческих зданиях (т.п. №801-99) в два раза (с 1,03 до 2,06 м²-°С/ Вт) приводит к сокращению общих потерь теплоты здания на 2,6 %. Дальнейшее увеличение с 2,06 до 3,09 — к сокращение потерь лишь на 0,9 %. Повышение теплозащиты покрытия с 1,36 до 2,72 м²-°С/Вт для того же коровника снижает общие потери теплоты здания на 6,7 %, а при дальнейшем увеличении с 2,72 до 4,08 — на 2,4 % [7].

Величина ГСОП не может являться основополагающей при нормировании теплотехнических показателей теплового контура зданий. Отсутствует физическая и логическая взаимосвязь процессов переноса теплоты через ограждения с климатическими условиями местности при формировании расчётного дефицита теплоты в помещениях в холодный период года. Этот тезис подтверждает проведённый технико-экономический анализ.

Используя статистические данные [8], получен для 17-этажного четырёхподъездного многоквартирного дома сводный график стоимости тепловой энергии по максимальному тарифу С_т [тыс. руб/ Гкал] и требуемых значений R_o^тр в порядке возрастания ГСОП для 72 регионов страны от Махачкалы до Якутска (рис. 2). Результаты показывают неприемлемость методики определения R_o^тр по ГСОП, так как близкие по значениям ГСОП в различных климатических и географических регионах имеют принципиальное отличие в стоимости тепловой энергии.

Например, в Сыктывкаре величина С_т примерно в три раза ниже, чем в Красноярске (разница ГСОП ≈ 10 °С-сут/год), в Петропавловске-Камчатском в два раза выше, чем в Нижнем Новгороде (разница ГСОП ≈ 28 °С-сут/год).

Издержки за нерациональный выбор теплозащитных характеристик наружных ограждений в первую очередь ложатся на бюджеты собственников жилых помещений, доля платежей которых на коммунальные выплаты от средней зарплаты возросли в настоящее время по сравнению с 1985 годом с 2,7 % [9] до 10,9 % [10].

Определение расхода теплоты на нагрев инфильтрационного воздуха является чрезвычайно сложной и до настоящего времени не имеющей чёткого методического и инженерного решения задачей. Наиболее полно неопределённость состояния вопроса расчёта тепловой инфильтрационной нагрузки систем отопления сформулирована профессорами В. Н. Богословским и А.Н. Сканави [11]: "При многообразии решений в условиях множества вариантов исходных данных можно всё же наметить определённые закономерности, которые позволяют обобщить полученные решения".

Они указывают на значительные допущения при расчётах и считают приемлемыми ошибки до 15 %.

Величина ГСОП не может являться основополагающей при нормировании теплотехнических показателей теплового контура зданий. Отсутствует физическая и логическая взаимосвязь процессов переноса теплоты через ограждения с климатическими условиями местности при формировании расчётного дефицита теплоты в помещениях в холодный период года

Расход теплоты системой отопления на нагревание инфильтрационного воздуха Qhh [Вт] составляет:

где ΣG_ин.i — сумма расходов инфильтрационного воздуха через отдельные ограждения помещения, кг/ч; с_в — массовая теплоёмкость воздуха ≈~ 1,0 кДж/ (кг-°С)]; 0,28 — переводной коэффициент [1005/3600 ≈ 0,28 Вт-ч/(кг-°С)].

Наиболее сложной при определении величиной в формуле (7) является расход поступающего в помещение наружного воздуха ΣG_ин.i.

Общий подход к определению поступающего в помещение (инфильтрация) и удаляемого из помещения (эксфильтрация) воздуха заключается в нахождении естественных аэродинамических перепадов давления Δр_ин.

Интенсивность инфильтрации рассчитывают [12] на действие только гравитационных сил, если Δр_v < 0,5Δρg, где Δр_v = (c_н - с_з)v_н²ρ_н/2 — полное ветровое давление [Па] при скорости ветра v_н, м/с; с_н и с_з — аэродинамические коэффициенты с наветренной и заветренной сторон здания; Н — вертикальное расстояние между центрами приточных и вытяжных отверстий, м; Δρ — разность плотностей воздуха снаружи и внутри помещения, кг/м³. Инфильтрация рассчитывается лишь только на действие ветра при условии Δр_v > 10HΔρg, на совместное действие гравитационно-ветрового давления — при 0,5HΔρg < Δp_v < 10HΔρg.

Рассмотрим наиболее простой случай определения интенсивности инфильтрации воздуха через наружные ограждения одноэтажного здания при совместном воздействии гравитационного и ветрового давлений. Движение воздуха через ограждения основано на физическом эффекте поровой инфильтрации. Тепловой эффект при поровой инфильтрации заключается в возврате трансмиссионных потерь теплоты (до 23,1 %) [7, 13], то есть ограждение превращается в регенеративный теплообменник. В то же время в наружных ограждениях возможен противоположный процесс — эксфильтрация внутреннего воздуха, сопровождающаяся потерями теплоты через ограждения. Это явление вызывает необходимость разработки условий включения всех наружных стен в режим устойчивой инфильтрации за счёт относительно предсказуемого гравитационного давления Δp_tI и случайного по величине давления Δp_v (рис. 3).

Наименьший перепад давлений для инфильтрации воздуха возникает в верхней плоскости I помещения, составляя Δp_tI = h(ρ_н - ρ_в)g при ветровом давлении с заветренной стороны Δp_v^з = c_зv_н²ρ_н/2. Чтобы заветренная стена находилась в зоне устойчивой инфильтрации, необходимо суммарное избыточное давление в плоскости I выше нуля: Δp_tI + Δp_v³) ≥ 0. На рис. 3 точка Б должна совпасть с точкой Д. Такое перемещение за счёт естественных источников возможно при увеличения гравитационного давления, то есть при установке шахты высотой h_ш: Δp_tII = (h + h_ш)(ρ_н - ρ_в)g. Давление, развиваемое шахтой, равно разрежению на заветренной стороне Δp_v³ = h_ш(ρ_н - ρ_в)g. С наветренной стороны общее избыточное давление равно (плоскость II):

Воздушный баланс помещения в холодный период года при инфильтрации (приток через наружные стены с наветренной стороны G_прн площадью А_н и с заветренной стороны G_прз площадью А₃, вытяжка через шахту G_ш) имеет вид: (G_прн + G_прз + G_доп) = G_ш, где G_доп — инфильтрация воздуха через окна, двери и ворота, кг/ч.

Количество инфильтрующегося воздуха через наружную стену площадью А_ст [м²] составляет:

где R_и — сопротивление воздухопроницанию конструкции, (м²-ч-Па)/кг.

Средний перепад давлений у наветренной стены: Δр_н.ст = Δр_v^н + Δр_v^з + 0,5Δp_tI; у заветренной стены: Δp_з.ст = 0,5Δp_tI.

После всех преобразований формулы (8) получаем в развёрнутом виде зависимости по определению количества наружного воздуха, поступающего в помещение при устойчивой инфильтрации через наветренную G_прн и заветренную G_пр3 стены:

Приведённые исследования показывают, что определение устойчивых характеристик расходов инфильтрующегося воздуха даже для простейшей случая является чрезвычайно сложной задачей.

Рассмотрим существующие методы расчёта количества инфильтрирующегося воздуха в помещения различного функционального назначения.

Жилые и общественные здания. Количество инфильтрационного воздуха в жилых зданиях рекомендуется принимать равным большей из двух величин.

При нормируемом удельном расходе воздуха g_уд = 3 м³/ч на 1 м² площади А_пом жилых помещений общий расход составляет величину:

По другой методике суммарный расход инфильтрационного воздуха зависит от вида и характера неплотностей в наружных ограждениях [11]:

где обозначения с индексом 1 относятся к окнам, балконным дверям и фонарям, с индексом 2 — к наружным дверям и воротам, с индексом 3 — к стыкам стеновых панелей; Δp — перепад давления на соответствующем ограждении.

Для наружных дверей и ворот животноводческих зданий рекомендуется принимать R_идв = 0,3 (м²-ч-Па)/кг [7].

Первая методика не связана с физическими явлениями тепломассопереноса и аэродинамики. Во второй методике введено столько допущений, что субъективизм при выборе исходных данных неизбежно приведёт к недопустимым для инженерных расчётов расхождениям в конечных результатах.

В настоящее время всё актуальнее становится вопрос уточнения методики расчёта расхода теплоты на подогрев инфильтрационного воздуха в помещениях с герметичными окнами и внутренними входными дверями. Такие жилые помещения возможно эксплуатировать только при наличии систем механической вентиляции с подогревом наружного приточного воздуха. Расход теплоты на подогрев наружного инфильтрационного воздуха при определении расчётной мощности систем отопления рассматриваемых жилых помещений должен отсутствовать. В противном случае этот расход теплоты учитывается дважды.

Данное важное обстоятельство по реальной экономии теплоты в помещениях с герметичными окнами и дверями не отражено и не регламентируется в существующей нормативной и технической литературе и требует дальнейшего конкретного изучения с получением практических рекомендаций.

Промышленные здания. Помещения промышленных зданий всегда оснащены системами создания и поддержания конкретных параметров микроклимата. Режимные карты эксплуатации отопительно-вентиляционного оборудования переменны в течение суток. Всё это создаёт дополнительные трудности в определении перепадов гравитационно-ветрового давления на наружных ограждениях и не позволяют использовать приведённые выше зависимости нахождения расходов инфильтрационного воздуха.

Отсутствуют методики аналитического расчёта расхода инфильтрационного воздуха для определения мощности систем отопления. При проектировании применяются полученные из практического опыта методы определения величины ΣG_ин [14]. Несмотря на относительную точность, они учитывают физические процессы явления в зависимости от объёмно-планировочных решений зданий.

Массовый расход воздуха, инфильтрующегося через щели притворов окон, фонарей дверей и ворот, равен:

где а_пр — коэффициент, зависящий от конструкции притворов; G_i — расход воздуха, поступающего через 1,0 м щели в зависимости от средней скорости ветра за три наиболее холодных месяца, кг/ч; l — длина щелей притворов, м.

Значения а_пр и G_i приведены в [14]. Инфильтрация через притворы открывающихся створок окон, дверей и ворот учитывается в зависимости от направления ветра для частей зданий, обведённых на рис. 4 жирными линиями.

Введение новых показателей по нормированию и расчёту теплофизических и конструктивных показателей теплового контура зданий возможно только после проведения многоплановых научных исследований и практического подтверждения следующих предлагаемых преимуществ: технических; теплофизических; а также экономических

Производственные сельскохозяйственные здания. В помещениях таких зданий температурный режим в холодный период года поддерживается за счёт физиологических или биологических явных тепловыделений животных, птиц и хранящегося сочного растительного сырья. Системы отопления в классическом виде с использованием искусственно генерируемой теплоты отсутствуют (Q_от = 0). По технологиям содержания птиц, хранения биологически активной продукции здания выполняются без окон, ворота снабжены тамбурами, то есть в них инфильтрация отсутствует. При наличии инфильтрации через окна в помещениях содержания крупного рогатого скота и свиней используется методика расчёта горизонтальной вентиляции за счёт ветрового давления через специальные щелевидные регулируемые по воздухопроницаемости проёмы в продольных стенах помещений. Методика расчёта инфильтрации сельскохозяйственных зданий приведена в [15].

Итак, повышение энергоэффективности систем теплообеспечения зданий

различного функционального назначения при решении вопросов поддержания допустимых параметров микроклимата помещений должно основываться на соблюдении основных физических явлений переноса теплоты и массы.

Введение новых показателей по нормированию и расчёту теплофизических и конструктивных показателей теплового контура зданий возможно только после проведения многоплановых научных исследований и практического подтверждения предлагаемых преимуществ: технических; теплофизических; а также экономических.