Рис. 1. Двухпозиционное регулирование температуры в помещении
Рис. 2. Варианты преобразования геометрической формы вытяжного канала с помощью изменения положения воздушного клапана
Рис. 3. Теплопроизводительность конвектора при различных положениях воздушного клапана
Рис. 4. Влияние угла поворота верхнего клапана на увеличение относительной теплопроизводительности конвектора
Рис. 5. Изменение температуры воздуха в помещении от суточной теплоподачи для коэффициентов теплопередачи
Рис. 6. Экономия тепловой энергии при ДРТ = 75 и 100 %
Рис. 7. Сравнение эффективности энергосберегающих мероприятий
Табл. 1. Диапазоны регулирования теплопроизводительности конвектора*
Введение
Управление расходом энергии, затрачиваемой на отопление помещений, всегда является одной из самых действенных мер по ее сбережению. Современная техника отопления нуждается не в управлении вообще, а требует близкого к оптимальному управлению расходом тепловой энергии на уровне отопительного прибора. Поэтому отопительные приборы совместно с устройствами терморегулирования должны обладать техническими характеристиками, обеспечивающими реализацию оптимального управления расходом тепловой энергии.
Одной из причин, препятствующей широкому внедрению систем отопления зданий с рациональным управлением расходом тепловой энергии на уровне прибора, является относительно высокая стоимость дополнительного оборудования (терморегуляторы, термостаты, вентиляторы, источники питания и т.д.) и низкая стоимость энергии. В связи с этим возникает проблема большого срока окупаемости вложенных в систему отопления средств.
Отсюда следует, что в первую очередь необходимо определиться с выбором способа терморегулирования и стоимостью его технической реализации. Целью данной работы является определение влияния диапазона изменения теплопроизводительности пассивного конвектора на экономию тепловой энергии.
Результаты исследований
Наиболее распространенным способом изменения теплопроизводительности является двухпозиционное регулирование расхода теплоносителя с помощью двухи трехходовых вентилей с положениями «открыто или закрыто». Здесь говорится о полном открытии или закрытии вентиля, что позволяет иметь диапазон регулирования теплопроизводительности от 0 до 100 %. На рис. 1 представлено двухпозиционное регулирование температуры в помещении.
Вторым способом регулирования теплопроизводительности является изменение расхода воздуха, проходящего через теплообменную поверхность прибора. Этот способ эффективен для конвекторов, конструктивно представляющих собой теплообменник, встроенный в кожух и выполняющий функцию вытяжного канала. У конвекторов расход воздуха может регулироваться в условиях естественного и принудительного движения воздуха. При естественной конвекции регулирование расхода воздуха осуществляется изменением положения воздушного клапана.
Воздушный клапан представляет собой пластину прямоугольной формы, которая полностью или частично перекрывает вытяжной канал конвектора. Для герметичного закрытия канала в местах касания контура клапана устанавливается уплотнитель. Диапазон регулирования теплопроизводительности (ДРТ) конвектора определяется двумя видами естественной циркуляции воздуха через поверхность теплообменника:
- Клапаны открыты — конвектор имеет форму вытяжного канала (как показано на рис. 2г). Снизу в канал поступает поток холодного воздуха. Проходя через внешнюю поверхность теплообменника, он нагревается и поднимается вверх, выходя из канала. За пределами канала подогретый воздух перемешивается с холодным и, охлаждаясь, поступает на вход в канал конвектора. Так происходит естественная циркуляция воздуха (воздух помещения омывает поверхность теплообменника).
- Клапаны закрыты — конвектор приобретает форму замкнутой полости (что показано на рис. 2а и 2д).
При закрытом клапане нельзя достигнуть полного прекращения теплоподачи, как в случае перекрытия вентилем подачи теплоносителя в прибор, поскольку через стенки замкнутой полости, образованной стенками вытяжного канала и верхним и нижним клапанами, происходит теплопередача в окружающую среду. В самой же полости между стенками и теплообменником передача тепла осуществляется конвекцией в виде двух симметричных циркуляций воздуха и переизлучением.
Расширение ДРТ конвектора может быть осуществлено минимизацией его теплопроизводительности при положении клапана «закрыто». С целью расширения ДРТ конвектора необходимо провести поиск конструктивного решения терморегулятора, создающего условия минимальной теплопередачи Qmin в окружающую среду. К факторам, влияющим на Qmin, следует отнести: количество воздушных клапанов (один или два) и их расположение (вверху или внизу), аэродинамическое сопротивление теплообменника (на него оказывает влияние коэффициент оребрения трубок), тепловую изоляцию стенок канала, их степень черноты.
Любой из перечисленных факторов будет влиять на стоимость изделия, которое рассматривается как массовое. Поэтому необходимо провести исследования по изучению влияния перечисленных факторов на ДРТ. Рассмотрим варианты технического исполнения воздушного клапана и его положения, а также влияния лучистого теплообмена внутри вытяжного канала на теплопроизводительность конвектора (рис. 2). Наименьшей теплопроизводительностью будет обладать конвектор с закрытыми верхним и нижним клапанами (рис. 2а и 2д).
В этом случае вытяжной канал полностью трансформируется в замкнутую полость. При условии, что стенки полости покрыты материалом с низкой степенью черноты (например, алюминиевой фольгой), можно уменьшить лучистую составляющую теплоотдачи до двух раз и получить минимальную теплопроизводительность конвектора (рис. 2д). В замкнутой полости конвектора по ее центральной части воздух поднимается вверх и затем разворачивается на 180°, опускаясь вдоль стенок по обе стороны от линии симметрии канала.
Опускаясь, воздух отдает часть своей энергии стенкам канала и, дойдя до теплообменной поверхности, нагревается и поднимается вверх. Тепловой режим устанавливается в процессе циркуляции воздуха внутри полости и переизлучения между поверхностями полости и теплообменника. Теплопроизводительность конвектора для случая, когда оба клапана закрыты, представлена на рис. 3 (прямые 6, 7 и 8). При открытии верхнего клапана и закрытом нижнем нагретый воздух вступает в теплообмен с холодным наружным через окно верхнего клапана.
В результате теплоотдача конвектора увеличивается с ростом температурного напора между поверхностью теплообменника и циркулирующим в полости воздухом (рис. 3, прямая 5). Если положение клапанов изменить на противоположное, интенсивность теплоотдачи увеличивается (рис. 3, прямая 4) из-за теплообмена нижней части поверхности теплообменника с холодным воздухом и увеличения лучистой составляющей теплоотдачи в результате излучения на холодную поверхность пола. Теплопроизводительность конвектора при обоих открытых клапанах и расходах теплоносителя 50, 80 и 460 кг/ч представлена прямыми 3, 2 и 1, соответственно (рис. 3).
При этом диапазон регулирования теплопроизводительности конвектора при изменении расхода теплоносителя с 50 до 460 кг/ч составляет 17,2 %, что является реальной величиной регулирования с помощью термостатических клапанов. Диапазоны регулирования теплопроизводительности конвектора (в процентах) с коэффициентом оребрения труб kор = 6,7 для четырех положений воздушных клапанов представлены в табл. 1.
С ростом коэффициента оребрения труб теплообменника увеличивается ДРТ. Это происходит за счет уменьшения теплопроизводительности, вызванной увеличением аэродинамического сопротивления теплообменника при верхнем закрытом и нижнем открытом клапанах. При использовании в качестве терморегулятора только верхнего клапана для конвекторов с kор = 6,7 имеем ДРТ = 61,7 %, а при kор = 9,3 — 75 %, тогда как при использовании обоих клапанов для kор = 9,3 ДРТ = 86 %.
Результаты исследования зависимости относительной теплопроизводительности конвектора Q( f )/Q( f = 0) от угла поворота верхнего клапана представлены на рис. 4 и аппроксимируются зависимостью: Q( f ) = [0,78ln( f ) + 1]Q( f = 0), где f представляет собой угол поворота воздушного клапана.
Влияние ДРТ конвектора на экономию расхода энергии при переменной во времени суточной теплоподаче
Некоторые исследования ДРТ конвекторов в режимах естественной и вынужденной конвекции даны в [1]. Экономию расхода тепловой энергии определим в вычислительном эксперименте на примере одного и того же температурного режима помещения для различной тепловой изоляции ограждающих конструкций с коэффициентами теплопередачи 0,2; 0,4; 0,6 и 0,8 ккал/(ч⋅м2⋅°C). Характеристики помещения:
- общая площадь ограждающих конструкций Fo = 100 м2;
- средний коэффициент теплоусвоения стен Yo = 3,0 ккал/(ч⋅м2⋅°C);
- тепловые потери помещения на 1 °C qo = 20; 40; 60 и 80 ккал/(ч⋅°C);
- доля тепла, выделяемого в помещении конвекцией ηк = 0,75;
- средний конвективный коэффициент теплоотдачи от внутренних поверхностей помещения к воздуху αк = 3,2 ккал/ (ч⋅м2⋅°C).
Принято, что в течение суток температура воздуха снаружи помещения постоянна и равна 0 °С. Ежесуточная подача тепла в помещение задается четырьмя временными зависимостями, отличающимися теплопроизводительностью конвекторов, имеющих ДРТ = 75 %. Для коэффициента теплопередачи, равного 0,2 ккал/(ч⋅м2⋅°C), используется конвектор с максимальной теплопроизводительностью Qmax = 1000 ккал/ч, минимальной Qmin = 250 ккал/ч и промежуточной 0,5Qmax = 500 ккал/ч.
Теплопроизводительность Qmax конвектора используется на участке разогрева Р1 помещения из холодного состояния до нормативной температуры (Qр1 = Qmax) за время τр1 = 1 ч (рис. 5а). Участок поддержания нормативной температуры продолжительностью τр2 = 3 ч имеет теплопроизводительность Qр2 = 0,5Qр1, а участок охлаждения помещения продолжительностью τо = 8 ч эта величина составит значение: Qо = Qmin = 0,25Qр1.
При величине коэффициента теплопередачи 0,4 ккал/(ч⋅м2⋅°C) используются два конвектора, при 0,6 ккал/(ч⋅м2⋅°C) — три и при 0,8 ккал/(ч⋅м2⋅°C) — четыре конвектора. В результате расчета температуры воздуха в помещении по методике, данной в [2], получим четыре временные зависимости температуры (рис. 5а–г). На рис. 5 представлены значения теплопроизводительности конвектора Qн для случая поддержания нормативной температуры в течение суток (режим постоянного отопления). Разница между затрачиваемыми энергиями при постоянном и переменном режимами отопления и есть экономия расхода энергии ΔE. В процентном соотношении ее можно выразить следующей формулой:
Проведя подобные расчеты для конвектора с ДРТ = 100 % и ДРТ = 75 %, для наглядности представим их в виде двух зависимостей экономии расхода тепловой энергии от коэффициента теплопередачи (рис. 6). Эти две зависимости ограничивают область экономии тепловой энергии при использовании конвекторов с терморегуляторами (воздушный клапан) для помещений с различной тепловой защитой ограждающих конструкций.
Оба параметра (ДРТ и коэффициент теплопередачи) оказывают сильное влияние на экономию расхода энергии, которая растет с увеличением этих параметров. Для того чтобы оценить эффект от внедрения энергосберегающих мероприятий, заключающихся в увеличении тепловой защиты ограждающих конструкций и в установке в системы отопления конвекторов с терморегуляторами в виде воздушного клапана, необходимо выбрать базу для сравнения затрат энергии на отопление помещений.
В качестве базы примем затраты энергии на отопления зданий, тепловая защита которых характеризуется коэффициентом теплопередачи 0,8 ккал/(ч⋅м2⋅°C), что фактически соответствует панельным зданиям старого жилого фонда. Построим относительные зависимости затрачиваемой энергии от коэффициента теплопередачи для трех вариантов энергосберегающих мероприятий (рис. 7, зависимости 1–3, характеризующие соответствующие мероприятия):
- Увеличение тепловой изоляции здания при постоянной суточной теплоподаче и неизменной нормативной температуре внутри помещений.
- Увеличение тепловой изоляции здания при переменной суточной теплоподаче, регулируемой с помощью воздушных клапанов, установленных на конвекторах с ДРТ = 75 %.
- Увеличение тепловой изоляции здания при переменной суточной теплоподаче, регулируемой с помощью воздушных клапанов, установленных на конвекторах с ДРТ = 100 %.
Результаты эффективного использования энергосберегающих мероприятий позволяют ответить на вопрос, какое из них дает большую экономию. Замена существующей системы отопления в панельном здании на конвекторы с терморегуляторами, имеющими ДРТ = 75 и 100 %, равносильно уменьшению коэффициента теплопередачи (см. направление стрелок на рис. 7) во втором случае до 0,6 ккал/(ч⋅м2⋅°C), а в третьем — до 0,46 ккал/(ч⋅м2⋅°C) с помощью усиления тепловой защиты ограждений.
Одновременное внедрение обоих мероприятий (усиление тепловой защиты и замена системы отопления) позволит уменьшить расход тепловой энергии на 70 % при выполнении новых требований к тепловому сопротивлению ограждающих конструкций (2,5 ч⋅м2⋅°C/ккал). Таким образом, отопительные системы должны быть выполнены на базе конвекторов с терморегуляторами в виде воздушных клапанов.
Полученные в данной работе результаты могут быть отнесены ко всем видам источников энергии, в том числе и к электрическому отоплению, которое позволяет наиболее просто регулировать тепловую мощность (ДРТ = 100 %). Внедрение конвективного отопления с ДРТ = 75 % потребует материальных затрат на увеличение тепловой мощности конвектора как минимум в два раза относительно нормативной мощности.
Увеличение мощности при работе отопительных приборов в режиме естественной конвекции равносильно увеличению поверхности теплообменника. При наличии в конвекторе вентиляторного блока увеличение мощности достигается в режиме принудительного движения воздуха. При этом мощность теплового генератора должна соответствовать пиковой нагрузке отопительной системы.
