Введение
В настоящее время наравне с типовыми проектами реализуются проекты зданий различного назначения с панорамным остеклением. Как правило, такие строительные объекты — это многоквартирные жилые дома бизнес-, премиуми элит-классов, апартаменты и бизнес-центры. Этажность зданий с панорамным остеклением может достигать нескольких сотен метров. Примером является башня «Федерация» комплекса «Москва-Сити», высота которой составляет 374 м.
Использование панорамного остекления требует особого внимания к проектированию тепловой защиты здания и его системы отопления.
Панорамное остекление — это наружное светопрозрачное ограждение, выполненное от пола до потолка помещения. Основной характеристикой наружного ограждения является приведённое сопротивление теплопередаче R, м²·°C/Вт.
В зависимости от конструкции светопрозрачного ограждения значения сопротивления теплопередаче лежат в диапазоне R = 0,6–1,6 м²·°C/Вт [1]. Тепловая защита наружных несветопрозрачных ограждений превышает тепловую защиту светопрозрачных в два-три раза, поэтому тепловые потери в случае панорамного остекления выше при равных отапливаемых объёмах сравниваемых зданий.
В связи с невозможностью установки отопительных приборов традиционным образом для компенсации дефицита теплоты устанавливаются отопительные приборы, смонтированные в пол.
Фото 1. Внутрипольные конвекторы с естественной (слева) и вынужденной конвекцией воздуха
Такими отопительными приборами являются внутрипольные конвекторы с естественной и вынужденной конвекцией, примеры которых представлены на фото 1. Поэтому существует особенность в циркуляции воздуха внутри помещения при панорамном остеклении.
Конвективный теплообмен плоской струи, настилающейся на вертикальную поверхность светопрозрачного ограждения
Панорамное остекление влияет не только на значение тепловых потерь здания, но и на тепловой комфорт в помещении. Нахождение человека рядом с большой остеклённой площадью может вызвать дискомфорт за счёт разницы температур поверхности тела и поверхности остекления. Для поддержания заданного температурно-влажностного режима внутренней поверхности остекления и защиты таких поверхностей от ниспадающих потоков холодного воздуха необходимо создать с помощью внутрипольных конвекторов настилающиеся струи.
Схема развития нагретой струи воздуха вдоль вертикальной охлаждённой поверхности ограждения представлена на рис. 1 [2].
Рис. 1. Схема развития нагретой струи воздуха вдоль вертикальной охлаждённой поверхности
Гидродинамику полуограниченной плоской струи несжимаемой жидкости и её теплообмен с охлаждённой поверхностью и окружающим воздухом можно описать системой дифференциальных уравнений движения, неразрывности и температурного поля. Характер плоской струи, исходящей от внутрипольного конвектора, зависит от режима его работы — начальной скорости воздуха v0 и начальной избыточной температуры воздуха в струе:
T0 = t0 — tв.
Также на интенсивность теплообмена струи со светопрозрачным ограждением влияет степень переохлаждения внутренней поверхности.
На рис. 1 на расстоянии hотр отмечено место отрыва пограничного пристенного слоя и возникновение застойной зоны. Выше точки отрыва развивается ниспадающий конвективный поток. При слиянии восходящей и нисходящей струй образуется общий поток воздуха, направление которого может быть различно. Общий поток воздуха может быть направлен как перпендикулярно светопрозрачному ограждению, так и в верхнюю или нижнюю часть помещения. Одной из задач внутрипольного конвектора является исключение возможности попадания общего потока воздуха в рабочую зону помещения, то есть его движение вниз.
В работе [3] представлены результаты экспериментального исследования теплообмена между неизотермической струёй и световым проёмом с однокамерным и двухкамерным стеклопакетами и отопительным прибором. Результаты, полученные авторами, также подтвердили характер поведения настилающийся струи на поверхность светопрозрачного ограждения: «Вдоль поверхности остекления развивается основная полуограниченная турбулентная струя. Тёплые частицы воздуха в струе при её движении вдоль остекления охлаждаются. Это приводит к потере движущими частицами кинетической энергии и началу торможения. При полном торможении происходит отрыв пограничного слоя от охлаждённой поверхности остекления и изменение направления движения потока струи вглубь помещения». Однако описание эксперимента не даёт полной информации об отопительном приборе, который был использован, даже неясно, был ли он оснащён вентилятором или нет.
Ещё одним фактором, влияющим на характер настилающихся струй, является конструкция внутрипольного конвектора, а именно расположение нагревательного элемента в коробке. Исследования, проведённые автором в работе [4], показали, что наилучшее расположение нагревательного элемента в коробе — у стенки короба со стороны остекления. В этом случае достигается максимальный тепловой поток конвектора при условии расположения конвектора на расстоянии от 0 до 100 мм от стенки.
Однако данная рекомендация может быть использована при проектировании или монтаже нагревательного элемента только для внутрипольного конвектора с естественной вентиляцией.
Регулирование теплоотдачи внутрипольного конвектора
Количество теплоты, подаваемое в здание на нужды отопления, изменяется в зависимости от параметров наружного воздуха. Регулирование осуществляется на источнике теплоты (ТЭЦ, РТС, котельная) в тепловом пункте (ИТП, ЦТП). Окончательное регулирование осуществляется потребителем непосредственно при помощи терморегуляторов на отопительных приборах. В соответствии с требованиями п. 1 [5] обязательно наличие на «подводящих теплоноситель трубах средств регулирования теплоотдачи радиаторов, таких как ручные регулирующие краны или термостатические краны».
Регулирование теплоотдачи внутрипольного конвектора при наличии вентилятора осуществляется изменением частоты вращения его оборотов — как правило, количество режимов работы зависит от используемой модели регулятора.
В [6] представлено описание внутрипольных конвекторов с естественной и вынужденной циркуляцией. Внутрипольный конвектор с вынужденной конвекцией оснащён тангенциальным вентилятором, который обеспечивает циркуляцию воздуха через отопительный элемент. Регулирование теплоотдачи данных конвекторов осуществляется при помощи блоков регулирования с термостатами Danfoss и Honeywell, которые могут работать в следующих режимах:
- режимы принудительной и свободной конвекции;
- три скоростных режима и режим свободной конвекции;
- три скоростных режима, режим «Авто» и режим свободной конвекции.
Для совершенствования существующих алгоритмов регулирования теплоотдачи (режимов работы) внутрипольных конвекторов в НИИ «ИКСЭл» были выполнены работы в данном направлении. Для серийно производимого внутрипольного конвектора с вентилятором был разработан алгоритм для блока управления.
Базовая схема предполагает управление скоростью вентилятора от 20% до максимальной скорости, которая может быть изменена пользователем в настройках. Изменение скорости вращения вентилятора необходимо для достижения нужной температуры, заданной режимом работы внутрипольного конвектора.
Алгоритм управления температурой реализуется по основной математической схеме, которая представлена на рис. 2.
Рис. 2. Логическая схема работы ПИД-алгоритма
В свою очередь, математическое описание пропорционально-интегрально-дифференциального (ПИД) алгоритма представляется в следующем виде:
где u(t) — значение выходного сигнала ПИД-регулятора (скорость вращения вентилятора, величина которой не должна превышать максимальную); e(t) — значение невязки, которое подаётся на вход ПИД-регулятора и является разницей функций r(t) (значение уставки температуры пользователя) и y(t) (значение температуры согласно датчику); Kp, Ki и Kd — настраиваемые коэффициенты пропорциональности. Изменение значений коэффициентов пропорциональности возможно только при введении пароля в блоке управления, поскольку данные коэффициенты являются определяющими для правильной работы блока управления внутрипольного конвектора.
Разработанный алгоритм позволяет регулировать теплоотдачу отопительного прибора не только за счёт изменения оборотов вентилятора, но и варьированием расхода горячего теплоносителя (воды), изменяя пропускную способность вентиля на подводке. Особенность работы вентиля — наличие циркуляции теплоносителя через отопительный прибор при любых условиях работы внутрипольного конвектора. Данная особенность позволяет обеспечить циркуляцию теплоносителя для предотвращения разморозки системы отопления.
В блоке управления пользователю доступны пять режимов работы внутрипольного конвектора: «комфорт», «эко», «ручной», «дежурный», «программируемый» (smart-режим). Все режимы, за исключением «программируемого», могут работать при условии наличия или отсутствия регулирующего вентиля на подводке.
Блок управления в режиме «комфорт» изменяет теплоотдачу внутрипольного конвектора в автоматическом режиме в соответствии с уставкой пользователя. В режиме «эко» происходит «недотоп» помещения относительно параметров, заданных пользователем.
Оценка энергосберегающего эффекта
Работа системы отопления, реализованной с применением внутрипольных конвекторов, оснащённых блоками управления, в пользовательском режиме (smart-режим) позволяет запрограммировать работу отопительных приборов в течение длительного времени. Программируемый режим позволяет автоматически переводить систему отопления в дежурный режим работы в нерабочее время, выходные и праздничные дни. Для реализации данного режима необходимо точное понимание режима функционирования отапливаемого помещения.
В работе [4] в результате эксперимента с помощью тепловизора визуализировано температурное поле нижней части наружного ограждения при обогреве помещения внутрипольным конвектором с естественной циркуляцией. Площадь участка с повышенной температурой, которая составляет примерно +31°C, ориентировочно равна 0,5 м². Данный участок характеризуется повышенной температурой поверхности, то есть имеет место перегрев наружного ограждения. С учётом небольшого значения сопротивления теплопередаче светопрозрачного ограждения перегрев указанного участка приведёт к увеличению тепловых потерь.
При отоплении помещения внутрипольным конвектором с вынужденной конвекцией в совокупности с блоком управления, в котором реализован разработанный НИИ «ИКСЭл» алгоритм управления, позволяет снизить температуру нижней части светопрозрачного ограждения. Это приводит к снижению тепловых потерь через указанный участок. В зависимости от площади данного участка, применение внутрипольного конвектора с блоком управления для отопления помещений позволяет снизить потребление теплоты до 5% по сравнению с внутрипольными конвекторами с естественной вентиляций без блока управления.
Выводы
Использование внутрипольного конвектора с вынужденной конвекцией в совокупности с блоком управления позволяет обеспечить требуемый уровень теплового комфорта в помещении: обеспечить равномерный прогрев и перемешивание воздуха, создать нагретую струю воздуха вдоль вертикальной охлаждённой поверхности остекления. Также за счёт работы вентилятора внутрипольного конвектора и возможности регулирования его теплоотдачи при помощи разработанного алгоритма управления нижняя часть светопрозрачного ограждения не перегревается относительно температуры внутреннего воздуха по сравнению с внутрипольным конвектором с естественней циркуляцией.
Использование внутрипольного конвектора с вынужденной циркуляцией с блоком управления, в котором реализован разработанный НИИ «ИКСЭл» алгоритм управления, является предпочтительным при отоплении помещений с панорамным остеклением, поскольку обеспечивает комфортные условия пребывания человека и снижает расход теплоты по сравнению с внутрипольными конвекторами с естественной конвекцией.
