|
| |
|
Главная -> Экология
Методика расчета теплового балансаэнергоактивных зданий и их системэнергоснабжения. Переработка и вывоз строительного мусораВ.Гизатулин, директор департамента строительства и архитектуры администрации г.Самары Л.Евсеев, председатель комиссии по энергосбережению СОРОИС, директор компании “Ритм” Россиязанимает 1/7 часть суши. Климат на большейтерритории резкоконтинентальный,отличающийся холодными продолжительнымизимами и жарким коротким солнечным летом,со среднегодовой температурой минус 5оC.Площадь эффективных территорий сосреднегодовой температурой не ниже + 2оСсоставляет лишь 17%, но и на них без теплогоотапливаемого жилья постоянное проживаниеневозможно. Поэтому до 40% всех затратместных бюджетов России падает на зимнееотопление. Кроме того, Россия расположена восновном на неплодородных почвах и в зонерискованного земледелия, а это требуетпостоянных больших дотаций в сельскоехозяйство за счет продажи нефти и газа.Поэтому по сравнению со странами,расположенными компактно на эффективныхтерриториях, стоимость жизни в Россииобходится намного дороже и необходимапостоянная строжайшая экономия топлива исохранение его для будущих поколений. Сегодня запасовуглеводородного топлива осталось всего на100 лет. Несмотря на это, Россия продает вЕвропу ежегодно 23% потребляемого тамтоплива по очень низким ценам. Стоимость 1куб. м российского газа -10 центов США,английского - 60, а норвежского - 130. Другойпричиной расточительства топливно-энергетическихресурсов (ТЭР) являются чрезмерные потеритепла при отоплении и горячемводоснабжении через поверхность зданий,сооружений, теплопроводов и оборудования.Эти потери составляют 360 млн. т у.т. в год, илиоколо 30% годового потребления первичных ТЭРРоссии. Много ТЭР теряется в промышленностииз-за использования устаревших энергоемкихтехнологий, конструкций, машин и материалови из-за нерациональной структуры экономики,перестройка которой не завершена. Сейчаспродолжается приватизация предприятийиндустрии. Учитывая природно-климатическиеособенности России, передача контроля надТЭР частным и тем более зарубежнымкомпаниям является опасной, на чтоуказывает тяжелейшая ситуация с отоплениемжилья, сложившаяся в Северном Казахстанезимой этого года. Экономичное расходованиеТЭР и длительное сохранение их запасовтребуют обязательного государственногоконтроля над топливодобывающими отраслями;отказа от продажи топлива за границу подемпинговым ценам, а затем и полноезапрещение продажи; постепеннаяпереориентация экономики наэнергосберегающие высокоинтеллектуальныеотрасли; значительное снижение потерьтепла через изолированную поверхностьзданий, сооружений, теплопроводов иоборудования. Бетон ижелезобетон по-прежнему остаются основнымматериалом для строительства гражданских ипромышленных зданий во всех развитыхстранах. Уже сегодня можно прогнозироватьего долговечность более 10 лет. В России в50-70-е годы была создана мощная базапромышленного и гражданского домостроения,обеспечившая круглогодичное строительствоболее 100 млн. кв. м железобетонных зданий -крупнопанельных, каркасно-панельных,объемно-блочных, каменных и смешанных (скаменными наружными стенами) строительныхсистем. Основными недостатками этих зданийявляются: - большой веснесущих и ограждающих конструкций ивысокие топливно-энергетические затратыТЭЗ-1 на изготовление, транспортированиематериалов и конструкций и строительство; - чрезмерные ТЭЗ-2на теплоснабжение зданий из-за высокойтеплопроводности ограждающих конструкций (низкиетребования норм, теплопроводные включенияпри изготовлении, щели при строительстве),неправильной эксплуатации системыотопления, отсутствия приточнойрегулируемой вентиляции и плохой изоляциитеплосетей; - однообразиеархитектурных решений и конструктивно-планировочныхсхем зданий по причине максимальногоснижения стоимости. Для обеспечениявсех россиян отдельным жильем до 2010 годанеобходимо вводить в год не менее 200 млн. кв.м, что в 5 раз больше, чем вводится сейчас.Средств на это у государства мало,нуждающиеся в улучшении условий проживанияграждане в связи с низким материальнымположением не в состоянии купить себе жилье.Поэтому для 90% населения основным по-прежнемубудет дешевое массовое жилье спотребительским качеством, отвечающимсоциально-бытовому минимуму, а главнымтребованием к новым конструкциям зданийостается максимальное снижение ихстоимости и энергозатрат. Значительные ТЭЗ-1объясняются тем, что в наружных стенахиспользуют легкие бетоны из тяжелого иэнергоемкого керамзита; расход стали вжелезобетонных конструкциях в два разавыше, чем в США, пластмасс применяют в 9 раз,а гипса в 25 раз меньше, выпуск эффективныхтеплоизоляционных материалов (полимерных иволокнистых), а также ячеистых бетонов наодного жителя у нас в 5-7 раз ниже, чем вСеверной Европе. Кроме того, у нас большиерасходы тепла при пропарке сборногожелезобетона и изготовлении цемента мокрымспособом. Более 2/3 ТЭЗ-1 приходится напроизводство металлоконструкций (38%),цемента (17 %), сборного железобетона (8%),кирпича (5,5%) и керамзита (4%). Главныминедостатками норм являются нормированиетолько теплозащитных качеств ограждающихконструкций, очень низкое значениесопротивления теплопередаче окон ибалконных дверей. Через окна, площадькоторых даже в жилых зданиях достигает 40%площади стен комнат, происходит 30-70% общихпотерь тепла через ограждающие конструкции.Поэтому увеличение приведенногосопротивления теплопередаче в два раза (поданным США) дает экономию до 50 л сырой нефтив год на кв. м остекления. На севере Европы иАмерики применяют окна с сопротивлением 0,95кв.м оС/Вт, а в скором будущем 1,25 и даже2 против 0,39 и 0,55 у наших окон. Основнымэлементом эффективных окон являетсястеклопакет, заполненный инертным газом испециальной пленкой с обязательнымнанесением теплоотражающего покрытия навнутреннюю поверхность стекла или пленки.Для нашего климата более подходятстекловолокнистые и дерево-алюминиевыеблоки. В условияхсурового климата России и энергетическогокризиса необходимо максимально уменьшитьразмер окон и даже днем использоватьискусственное и смешанное освещение. Темболее что в городах из-за грязного воздухаокна сильно затемнены, а изнутридополнительно закрыты шторами. В летнийпериод из-за больших окон для борьбы синсоляцией, вызывающей перегрев помещенийи утомление зрения на большей частитерритории России, пригодной к проживанию,требуются дорогостоящие солнцезащитныеустройства. Нормами дляжилья предусмотрен воздухообмен за счетнеорганизованного притока наружноговоздуха через неплотности в окнах. Поэтому,утеплив ограждающие конструкции и заделавнеплотности и щели, мы ликвидируем в домевентиляцию, в результате из-за отсутствияприточной вентиляции ухудшаетсямикроклимат, увеличивается влажностьвоздуха и конструкций, происходит ростзаболеваний органов кровообращения идыхания, подавляется иммунная система,возникают аллергические реакции, асэкономленное тепло уходит через форточкипри проветривании помещений. Оптимальноетеплоснабжение зданий и созданиемикроклимата в помещении требуетавтоматизации всего процесса. Необходимоизменение метода оплаты коммунальных услугс человека и занимаемой площади, которыесебя полностью дискредитировали. Сегоднядотации за обогрев гражданских зданийдостигают 70-90% от всей стоимости тепла,которое уходит на обогрев гражданскихзданий. При этом монополисты подачитепловой энергии не заинтересованы вснижении абсолютных количествэнергоресурсов и ликвидации потерь тепла иводы в сетях, имеющийся опыт показывает, чтоквартиры, оборудованные контролирующимииндивидуальными приборами, позволяютэкономить до 50% горячей и холодной воды и до20% тепловой энергии. При групповом принципеконтроля эти показатели в 1,5 - 2 раза ниже. Энергосберегающие затратные мероприятия (ЭСМ)подразделяются на: - малозатратные,очевидность внедрения которых не вызываетсомнений, а окупаемость менее 5 лет; -высокозатратные, требующие увеличениятеплозащиты ограждающих конструкций засчет значительных капитальных иматериальных вложений. Требования новыхнорм по теплотехнике с поэлементнымтеплотехническим нормированиемограждающих конструкций зданийстимулируют к проведению высокозатратныхмер, которые при реально существующейтехнологии энергосбережения не могут датьзаметного эффекта в ближайшем будущем.Поэтому нормировать надо ТЭЗ на кв. мплощади здания, как это принято в нормахмногих стран, а ответственность возлагатьна авторов проекта. Для снижения ТЭЗв строительстве нельзя идти путемувеличения материалоемкости традиционныхограждающих конструкций, используяэнергоемкие материалы и технологии, а такжесложившиеся конструктивные решения зданий.Наиболее эффективно проблему снижения ТЭЗможно решить, только подходя к нейкомплексно, учитывая ТЭЗ-1 и ТЭЗ-2 и затраты,идущие на создание и обслуживаниеинфраструктуры, а также последниедостижения и направления в областистроительства, коммунального хозяйства инетрадиционной энергетики. Использованиеподземного пространства позволяетобходиться практически без отопленияпомещений, срок эксплуатации зданиймногократно увеличивается, существенноэкономятся строительные материалы итерритории, отсутствует арендная плата заиспользование земли. Поэтому комплексныйподход к снижению ТЭЗ в строительствевключает разработку: - нормативной изаконодательной базы, стимулирующейреальное энерготеплосбережение,использование подземного пространства,расширение области искусственногоосвещения, снижения размеров окон и отказот них (темная кухня, столовая, кабинет вжилых зданиях); - новых энерго- иматериалосберегающих объемно-планировочныхи конструктивных решениймногофункциональных зданий, возводимыхразличными методами, с учетом местныхособенностей и традиций и максимальнымиспользованием подземного пространства; - регионально-адаптируемыхконструктивных систем, обеспечивающихсвободу планировки и разнообразиеархитектурных решений; - легкихэффективных несущих и ограждающихконструктивных элементов заданнойдолговечности, изготавливаемых по гибкимтехнологиям с максимальным использованиемимеющейся базы строительной индустрии ипрогрессивных новых и местных строительныхматериалов; - регулируемыхотопительных систем, в том числеиспользующих нетрадиционные источникиэнергии, с индивидуальным учетом ТЭЗ иместным обогревом, работающим по принципу -когда, где и сколько требуется обогреватьобъекты и помещения. Индивидуальныежилые малоэтажные здания, получившиеширокое применение в богатых странах сболее мягким климатом, требуют значительнобольших материальных затрат настроительство и в 3-5 раз больше ТЭЗ наэксплуатацию, чем многоквартирные здания, ине могут быть предложены как массовые,особенно в городских условиях. Даже дешевыедома с легкими (щитовыми и каркасными)трехслойными наружными и внутреннимистенами и перекрытиями, разрабатываемые всоставе программы “Свой дом”, из-за низкойтепловой инерции ограждений требуютпостоянного отопления и поэтому малопригодны для сельской местности спериодическим отоплением. Учитывая нашиособенности и возможности, для массовойзастройки рекомендуются компактныезамкнутые застройки из экономичныхмассовых универсальных широкихблокированно-кооперированных, различных вплане зданий средней и повышеннойэтажности, комбинированной объемно-планировочнойсистемы и структуры с многообразиемархитектурного облика и максимальнымиспользованием подземного пространства, ссохранением и эффективным использованиембазы строительной индустрии. В них дляудобства проживания и снижения затратрасполагаются под общей крышей илисблокированы жилые квартиры, личные гаражи,общественные учреждения (детский сад-ясли,спортивные залы, бассейн, бани, врачебные иоздоровительные кабинеты, конторы,кинотеатр, дискотека, магазины, общежития,сбербанк, прачечная, бюро услуг, ремонтныемастерские, коммунальные службы и др.). Вбудущем в больших в плане зданияхкоммуникации дополнительно можно будеткомпоновать эскалаторами, движущимисятротуарами и лифтами пространственногоперемещения. Уже сейчас имеются примерыстроительства замкнутых в плане зданийповышенной этажности с крытым свободнымпространством в середине для зимнего сада идлинные широкие здания с крытой пешеходнойулицей. Для новыхуниверсальных гражданских зданийтребуются новые конструктивные системы,обеспечивающие максимальную свободупланировки и перепланировки в процессеэксплуатации и реконструкции. На сегоднясложились две основные конструктивныепространственные системы, обеспечивающиепрочность и деформативность зданий приразличных воздействиях: - пластинчатая,состоящая из системы пересекающихсянесущеограждающих вертикальных стен игоризонтальных перекрытий; - стоечно-пластинчатая,состоящая из вертикальных несущих колонн,горизонтальных несущеограждающихперекрытий и ограждающих стен. Недостаткомпластинчатой системы являются трудности сосвободной планировкой помещений, особеннообщественных зданий, и большой весконструкций. Поэтому надо увеличивать шагпоперечных стен до 7,2; 9; 12 и более метров иприменять легкие материалы. Стоечно-пластинчатаясистема дает значительно большиепланировочные возможности, особенно прибольших сетках колонн. Однако дляуниверсальных зданий требуется смешаннаяоткрытая конструктивная система на основевертикальных несущих колонн и стен сразличным, в том числе широким инерегулярным, шагом, изготавливаемых сприменением сборного, сборно-монолитногожелезобетона. Наружные стенызданий для улучшения теплозащитных функцийв 3 -3,5 раза следует делать ненесущими одно-,двух- и трехслойными. Однослойные толщинойдо 40-60 см выполняются из мелкозернистых илегких бетонов или гипса, облегченныхпоризацией, отверстиями, добавкамиполистирольных гранул и растительныхотходов. Для прочности следует добавлятьфибры из стекловолокна. Многослойные стенытолщиной до 35-45 см рекомендуются с внешними слоями изжелезобетона и листовых материалов (асбестоцемента,армостекло фибробетона, цементно-стружечныхплит). В качестве эффективного утеплителя вмногослойных стенах используются: - плиты изпенополиуретана, пенополистирола,пеноизола, минеральной, шлаковой истеклянной ваты и волокна; - ячеистые илегкие бетоны, гипс, арболит в виде сборныхтермовкладышей и монолита; - засыпки в видепеска и щебня из вспученного полистирола,перлита и вермикулита; - плиты торфяные,эковата. Энергозатраты наединицу объема пенополиуретановых,волокнистых, бетонных и арболитныхутеплителей сопоставимы, а их стоимостизаметно отличаются по регионам. Для решенияпроблемы теплоизоляции зданий и сетейнеобходимо в 5-10 раз увеличить выпускэффективных утеплителей. Объединениеслоев наружных стен железобетоннымижесткими ребристыми и дискретными связямизначительно снижают приведенноесопротивление теплопередаче стен.Несколько эффективнее гибкие связи изоцинкованной арматуры диаметром 8-12 мм.Более эффективные связи из нержавеющейпроволоки диаметром 3 - 5 мм истеклопластиковые связи мало применяютввиду их большой стоимости и дефицита.Поэтому необходим дальнейший поискэффективных конструкций связей иналаживание их массового производства.Учитывая ограниченный срок службыэффективных органосодержащих утеплителейпо сравнению с материалом внешних слоев,конструкция стен должна позволять заменупанелей в период эксплуатации зданий или ихутепление, что необходимо учитывать приопределении стоимости зданий. Для снижениямассы энергозатрат несущих конструкцийследует шире применять песчаныепоризованные бетоны с объемным весом более1200 кг/м3, а также легкие бетоны на основешлаков и нового утеплителя из отходовкремниевого производства, разработанногово Владимире, который дешевле керамзита в 5раз. Наиболеетрудоемкими и энергоемкими пристроительстве зданий являются кровельныеработы, степень механизации которыхсоставляет всего 15%. Основной объем работвыполняется с применением традиционныхрулонных битуминозных материалов, которыеиспользуют по всей территории страны.Нормативный срок службы таких кровельсоставляет 8 лет, что намного ниже срокакапитального ремонта зданий. Реально жеоколо 30-50% площади покрытия требуют ремонтауже через 3-5 лет. В результате на ремонткровель расходуется до 15% средств,предусмотренных на содержание всего жилогофонда, и свыше 50% выпуска рулонныхкровельных материалов. Поэтому необходимополностью изменить подход к решениюконструкций крыш и кровли домов, переходя вмало- и среднеэтажном строительстве наобязательное устройство теплых мансард.Это, кроме всего прочего, улучшаетархитектуру зданий и позволяет получитьдополнительные площади для жилья иобщественных целей. Подводя итогвышесказанному, можно сделать два основныхвывода: -толькокомплексный подход дает заметноесокращение ТЭЗ в строительстве; -применениевысокозатратных ЭСМ, имеющих большой срококупаемости, и трехслойных стен с невысокойдолговечностью органополимерсодержащихутеплителей может в итоге дать увеличениеТЭЗ вместо ожидаемого сокращения. Поэтомунеобходим поиск новых долговечныхэффективных теплоизоляционных материалов,например, на основе природногонеорганического минералополимера, серы,которая, по мнению ученых, является вяжущим21-го века.
Длярасчета теплового баланса энергоактивногодома необходимо решить несколько задач: определить исходные данные, включающие в себя климатическую характеристику местонахождения здания и данные о внутренних условиях в помещении; выбрать и рассчитать ограждающие конструкции здания (оконные и дверные проемы) на соответствие местным условиям; определить теплопотери и теплопоступления каждого помещения; проследить выполнение условий комфортности каждого помещения; выбрать оптимальную схему теплоснабжения здания; согласно выбранной схеме рассчитать элементы системы жизнеобеспечения человека, такие как: выбор оптимальной площади и характеристик коллекторного поля (для зданий использующих активную систему солнечного теплоснабжения); выбор емкости и типа аккумулятора тепла (для зданий использующих активную систему солнечного теплоснабжения); определение характеристик теплообменников в многоконтурной системе; выбор типа ветроэнергетической установки (для зданий использующих энергию ветра); определение теплопоступлений от дополнительных источников тепла (пассивных систем сбора солнечной радиации; печей, каминов, бойлеров находящихся в здании; людей и т. п.); определить тип привода и характеристики теплонасосной установки (если она имеется); гидравлический или аэродинамический расчет систем отопления, соответственно для схем энергоснабжения с жидкостным и воздушным теплоносителем; расчет площадей нагревательных приборов, размещаемых в помещении. Существующие методырасчета теплового баланса в целом иэлементов конструкций, их достоинства инедостатки Расчетпотерь тепла на инфильтрацию наружноговоздуха Внастоящее время в мире существуетнесколько методик расчетаинфильтрационных потерь тепла. Это методрасчета инфильтрации наружного воздуха поддействием ветрового давления, методрасчета с фактической длины и ширины щелей,метод расчета инфильтрации повоздухообмену, метод расчета инфильтрации,обусловленной тепловым давлением. Ветероказывает давление на одну или две стороныздания. В результате некоторое количествовоздуха проникает в здание через щели идругие неплотности в ограждающихконструкциях с наветренной стороны и такоеже количество воздуха вытесняется изздания через неплотности с подветреннойстороны. Обычно сопротивление, оказываемоеперемещению воздуха, одинаково снаветренной и подветренной стороны. В связис этим внутри здания создаетсядополнительное сопротивление инфильтрациии поступление воздуха в помещениеснижается по сравнению с данными,полученными при лабораторных испытаниях.Определение количества инфильтрующегосянаружного воздуха через стены, по данномуспособу расчета, сводится к поиску данныхоб ограждающих конструкциях в таблицах (полученныхпо экспериментальным данным) в зависимостиот скорости ветра. Несомненное достоинстводанного способа расчета - в его простоте,имея достаточно объемный список возможныхконструкций и климатические данные о местеэксплуатации здания, можно оперативноподсчитывать количествоинфильтрирующегося воздуха. К недостаткамспособа относится, в основном, трудность, ав условиях отсутствия лабораторногооборудования – невозможность, пополнятьили обновлять данные по конструкциямограждений, а также отсутствие данных обизменении скорости ветра, как функциивысоты здания. В нормативном методе расчетаинфильтрации наружного воздуха, принятым вРоссийской Федерации, количество воздухапоступающего в помещение через наружныестены, покрытия, ворота, двери и открытыепроемы определяется по формуле: где D p –разность давления на наружной и внутреннейповерхностях ограждающей конструкции; k –показатель степени, варьирующийся дляразличных конструкций ограждений; Rи– сопротивление воздухопроницаниюограждений. Вычисления по данному способу даютнаиболее точные результаты, связанные,однако, с проведением большого количестварасчетов, кроме этого сравнение данныхполученных экспериментальным путем срасчетными показало занижение расчетныхзначений количества инфильтрирующегосявоздуха по сравнению с экспериментальными.Анализ данных показал недостаточный учетувеличения скорости ветра в зависимости отвысоты рассматриваемого ограждения. Прирасчете инфильтрации через щели используюткоэффициенты инфильтрации. Этикоэффициенты для различных типовограждений определены экспериментальнымпутем и учитывают фактическую ширину щелейи зазоров. Кроме того, учитываются длинащелей и скорость ветра. Метод применяетсядля расчетов инфильтрации через дверные иоконные проемы и дает очень точныерезультаты, если ширина щелей и зазоровопределена достаточно точно. Применениеэтого метода ограничено использованием науже существующих зданиях и, кроме тогосвязано с большой трудоемкостью ипродолжительностью во времени работы поизмерению длины и ширины зазоров. Если взоне действия норм ASHRAE, при проектированииздания можно жестко нормировать величинузазоров дверных и оконных проемов, то вусловиях Российской Федерации на практикеэто выглядит невозможным. Интенсивность инфильтрации можноопределить по кратности воздухообмена,установив, во сколько раз в течение часаобновляется воздух в объеме данногопомещения. Кратность воздухообмена зависитот типа, назначения и расположенияпомещения. В тех случаях, когда точноизмерить или заранее определить ширинущелей и зазоров в окнах не представляетсявозможным (или не удается учесть, как будетпроисходить инфильтрация), применениеметода расчета инфильтрации по кратностивоздухообмена целесообразно. Общаяинфильтрация для всего дома должнасоставлять половину суммарнойинфильтрации, подсчитанной для каждогоотдельного помещения, так как примернотакое же количество воздуха, котороепроникает в здание с наветренной стороны,уходит из здания с подветренной стороны. Взданиях промышленного и общественногоназначения расчет инфильтрации пократности воздухообмена рекомендуетсятолько для вестибюлей и приемных залов, таккак главный источник инфильтрации в такихзданиях – световые проемы, которые могутбыть самых различных типов и величины. Инфильтрация, обусловленная тепловымдавлением, вызывает поступление воздуха вздание через отверстия и неплотности внижней части ограждающих конструкций ивыход его наружу через отверстия инеплотности в верхней их части. Это имеетместо при действующей системе отопленияздания. При искусственном охлаждениипомещений движение воздуха происходит вобратном направлении. Такой воздухообменимеет особенно большое значение длявысоких одноэтажных зданий с отверстиями,близко расположенными к уровню земли и кпотолку. В многоэтажных зданиях такжеследует учитывать этот воздухообмен,поскольку междуэтажные перекрытия в такихзданиях являются практическивоздухопроницаемыми. Следует отметить, чтоинфильтрация под влиянием тепловогодавления может достигать значительныхразмеров и в одноэтажных зданиях, имеющихподвалы и чердаки. Движение воздуха черезздание под воздействием теплового давленияпредставляет весьма сложное явление (заисключением случая одноэтажных строенийбез подвала или чердака). Движение воздухавызывает образование зоны отрицательногодавления в нижней части здания ипоступление через нее внутрь здания потоканаружного воздуха. Если проемы и отверстияв стенах размещены равномерно по длинездания, то примерно посередине его высотырасполагается нейтральная зона, гдевнутреннее давление равно наружному. Науровне нейтральной зоны тепловое давлениене будет вызывать инфильтрацию воздухачерез наружные стены. Инфильтрацию,вызываемую тепловым давлением,рассчитывают с учетом длины и ширины щелейв наружных ограждениях так же, как этоделается при расчете инфильтрации,вызываемой ветровым давлением. При расчетеинфильтрации указанным методом расчетнуювеличину теплового давления заменяютэквивалентной скоростью ветра.Инфильтрация, вызванная тепловым давлением,определяется как произведение половинысуммарной длины щелей на величинуинфильтрации, соответствующуюэквивалентной скорости ветра. Эта скоростьвычисляется по уравнению, полученному изсоотношений между скоростью, давлениемплотностью и температурой: где Ve– эквивалентная скорость ветра,соответствующая температурному перепаду (ti-t0);h – высота помещения; ti – температуравнутри помещения; t0 – температуранаружного воздуха; В – коэффициент,зависящий от воздухопроницаемостиперекрытия над подвалом и чердачногоперекрытия, а также от числа этажей в здании.В отношении этого метода справедливымиявляются выводы сделанные для методарасчета инфильтрации через щели и зазоры вограждающих конструкциях. Теплотехнический расчетограждающих конструкций Длятеплотехнического расчета повсеместноприменяется нормативный метод, основанныйна определении термических сопротивленийотдельных слоев ограждения, с последующимопределением различных его характеристик (коэффициентатеплопередачи, удельного теплового потока,температур поверхностей и т. д.) ивыполнением ряда проверок на соответствиеданной ограждающей конструкции даннымусловиям. Выполнение условий комфортности Сформированных, к настоящему времени,требований предъявляемых к условиямпребывания человека в помещении –достаточно много, но среди них ярковыделяются два – требования к условиямкомфортности, применяемые в РоссийскойФедерации и ряде других стран и требованияИнститута строительных служб (CIBS), Англия,применяемые в Западной Европе. Остальныеметоды отличаются от них незначительными инепринципиальными дополнениями илиупрощениями. Нормативный метод применяемый в Россииосновывается на вычислении двух условийкомфортности: Первое условие комфортности температурной обстановки определяет такую область сочетаний tв (температуры внутреннего воздуха) и tR (радиационной температуры помещения – осредненной температурой его ограждающих поверхностей), при которых человек, находясь в центре рабочей зоны, не испытывает ни перегрева, ни переохлаждения; Второе условие комфортности определяет допустимые температуры нагретых и охлажденных поверхностей при нахождении человека в непосредственной близости от них. Выполнение первого условия комфортностипроверяется используя график зонкомфортных сочетаний tв и tR впомещениях различного назначения. Припроверке выполнения второго условиякомфортности вычисляются максимально иминимально возможные температурыограждающих конструкций: и ,где j - коэффициент облученности отповерхности элементарной площадки наголове человека в сторону нагретой илиохлажденной поверхности. Определение комфортности пребываниячеловека в помещении по методу CIBS, связано сучетом несоизмеримо большего учетафакторов, влияющих на самочувствиечеловека в помещении. Эти факторы могут быть разделенына три группы: компоненты, являющиеся функцией одежды (Iкло и fкло), которые характеризуют изолирующие свойства одежды и долю поверхности тела, покрытого одеждой; компоненты, являющиеся функцией деятельности (M/ADU, h , u ), т. е. уровня активности, механической эффективности деятельности и скорости движения воздуха; компоненты, являющимися функциями свойств окружающей среды (tв, рв, u , tр), т. е. температуры внутреннего воздуха, влажности, скорости движения воздуха, средней радиационной температуре окружающей среды. Этагруппа факторов определяет условия, вкоторых создается оптимальная комфортнаяобстановка: Кнедостаткам нормативного метода относится,в первую очередь, его недостаточнаязависимость от факторов окружающей среды,однако это приводит к значительномурасширению области применения данногоспособа расчета комфортности, в случаенедостатка исходной информации.Определение зоны комфорта по первомуусловию комфортности связано с большойвероятностью получения ошибочнойинформации, т. к. данные зоны выделены, какправило, только для холодного и теплогопериодов, исключая переходные периоды.Применение нормативного способа расчетакомфортности наряду с натурнымиисследованиями в регионах с низкимитемпературами наружного воздуха, вхолодный период выявило, что теоретическойкомфортности, люди, находящееся в помещении,могли испытывать некоторый дискомфорт, чтоснижает достоверность результатов расчета.При определении коэффициента облученностиприходится оперировать значительнымколичеством диаграмм, выражающимзависимость коэффициента облученности отгеометрических характеристик помещения,замедляя и внося погрешности в процессрасчета. Касаясь особенностей метода CIBS,следует отметить его безусловнуюперегруженность исходной информацией исложность расчетов. Областью примененияметода CIBS в жилых зданиях следует считатьпомещения, отличающиеся узкойнаправленностью, а также малойвероятностью перепланировки и сменыназначения (библиотеки, оранжереи,мастерские и т. д.) Выбор оптимальнойплощади и характеристик коллекторного поля(для зданий использующих активную системусолнечного теплоснабжения); Припроектировании гелиотопливных системтеплоснабжения необходимо исходить из того,что экономически целесообразно покрыватьза счет солнечной энергии лишьопределенную долю тепловой нагрузкиотопления и горячего водоснабжения, аостальную часть тепловой нагрузки долженобеспечивать дополнительный источникэнергии. Долюполной месячной тепловой нагрузки f,обеспечиваемой за счет солнечной энергии,можно определить рассчитав безразмерныекомплексы X и Y для рассматриваемогоколлектора и данных месячной тепловойнагрузки: где А –площадь солнечного коллектора, м2; F’R– эффективный коэффициент отвода тепла,учитывающий влияние теплообменника; UL– полный коэффициент тепловых потерьколлектора, Вт/(м2К); D t – число секундв месяце; Tref – базисная температура, °С; -среднемесячная температура наружноговоздуха, ° С; L – полная месячная тепловаянагрузка, Дж; -среднемесячный дневной приход суммарнойсолнечной радиации на наклоннуюповерхность коллектора, Дж/м2; N –число дней в месяце; - среднемесячная приведеннаяпоглощательная способность; X – отношениемесячных тепловых потерь коллектора прибазисной температуре к полной месячнойтепловой нагрузке; Y – отношение количестваэнергии, поглощаемой пластиной коллекторав течение месяца, к полной тепловойнагрузке. А затем определить собственно f,для систем с жидкостным и воздушнымтеплоносителем соответственно: В методе,используемом для аналогичных целей встранах бывшего СССР, f определяется последующей формуле: где - месячная величина тепловой нагрузки,обеспечиваемой дополнительным источникомэнергии, ГДж/месяц; - месячная величина тепловой нагрузки, ГДж/месяц. Сравнение двухспособов расчета коэффициента замещенияпоказало большую достоверность данных,полученных по первому способу расчета (Данныерасчетов сравнивались с данными натурныхизмерений солнечного коллектора,изготовленного на кафедре “Теплогазоснабжения,вентиляции и охраны воздушного бассейна” врамках проводимого исследования). Всерассмотренные методы оптимизационныхрасчетов не учитывали климатическиеособенности Восточной Сибири, в частности,низкие температуры наружного воздуха,вызывающие усиленные теплопотерисолнечного коллектора. Расчет прихода солнечнойрадиации Методрасчета средних для каждого месяца дневныхприходов радиации на наклонную поверхность,разработанный Лю и Джорданом [43] и принят вРоссийской Федерации как нормативный.Среднемесячный дневной приход суммарнойсолнечной радиации на горизонтальнуюповерхность Нт равен: где -среднемесячный дневной приход радиации нагоризонтальную поверхность; -отношение среднемесячных дневных приходовсуммарной радиации на наклонную игоризонтальную поверхности: где - среднемесячный дневной приход диффузнойрадиации на горизонтальную поверхность; - отношение среднемесячных приходов прямойрадиации на наклонную и горизонтальнуюповерхность; s – угол наклона коллектора кгоризонту; r - отражательная способностьземли. В “Справочникепо основным вопросам” ASHRAE (1972) предложенследующий метод расчета поступающейсолнечной радиации: где It– общая солнечная радиация, Вт/м2, наоблучаемой поверхности; ID=KIDn –прямая солнечная радиация, Вт/м2, наоблучаемой поверхности; IDn – прямаясолнечная радиация для поверхности,нормально расположенной к солнечным лучам,Вт/м2, облучаемой поверхности; Id – рассеянная солнечная радиация, Вт/м2,облучаемой поверхности; К – косинус углападения солнечных лучей. “Справочник по климату СССР”рекомендует для расчетов интенсивностипотока падающей солнечной радиациииспользовать следующий метод: где Is– плотность потока прямой солнечнойрадиации, падающей на горизонтальнуюповерхность, Вт/м2; ID –плотность потока диффузной солнечнойрадиации, падающей на горизонтальнуюповерхность, Вт/м2; PS, PD –коэффициенты положения солнечногоколлектора для прямой и рассеяннойрадиации соответственно. Коэффициентыположения коллектора определяют поформулам: где b - угол наклонасолнечного коллектора к горизонту; i – уголпадения солнечных лучей на поверхностьколлектора; h – угол высоты солнца надгоризонтом. Кромеприведенных здесь трех способов расчетаприхода солнечной радиации, существуетдовольно большое количество их модификаций.Они базируются, в основном, на различномподходе к исходным данным. Так, в одних изних за базисные, принимаютсясреднемесячные суммы прихода прямой ирассеянной радиации, в других – значенияпоступившей радиации вычисляют путемсложения средних часовых значений в каждыйдень месяца. Все способырасчета дают примерно равнозначныерезультаты. Более точные результаты даютметоды с почасовым расчетом сумм радиации,однако, вследствие нестабильностипоступления солнечной энергии, точностиметодов расчета прихода солнечной радиациис использованием среднемесячных значенийвполне достаточно для практическихрасчетов. Расчет солнечных коллекторов Дляиспытаний солнечных коллекторов частоиспользуют методику Национального бюростандартов США [42]. Полезная энергияотводимая из коллектора, Вт, определяетсявыражением где FR -коэффициент отвода тепла из коллектора; А –площадь коллектора, м2; IT -плотность потока суммарной солнечнойрадиации в плоскости коллектора, Вт/м2;t - пропускательная способность прозрачныхпокрытий по отношению к солнечномуизлучению; a - поглощательная способностьпластины коллектора по отношению ксолнечному излучению; UL – полныйкоэффициент тепловых потерь коллектора, Вт/(м2К);Ti – температура жидкости на входе вколлектор, ° С; Та – температураокружающей среды, ° С; Порезультатам испытаний определяетсяэффективность коллектора Б.Андерсон [26] определяет мощность солнечногоизлучения На, достигающеготеплоприемника в солнечном коллекторе как где I –общее количество солнечной энергии,попадающей на солнечный коллектор, Вт/м2; t - величина пропускательной способностипрозрачных покрытий; a - величинапоглощательной способности теплоприемника. Удельнаямощность солнечного водонагревателя можетбыть определена по формуле, полученной наоснове данных работы [44]: где q –удельный расход теплоносителя, кг/м2с;ср – изобарная теплоемкостьтеплоносителя, Дж/(кгК); Is – плотностьпотока прямой солнечной радиации, Вт/м2;ID – плотность потока диффузнойсолнечной радиации, Вт/м2; Твх –температура теплоносителя на входе всолнечный коллектор, ° С; Т0 –температура окружающей среды, ° С; U –приведенный коэффициент теплопередачисолнечного коллектора, Вт/м2К; ; PS,PD – коэффициенты положениясолнечного коллектора для прямой ирассеянной радиации соответственно; q s,q D – приведенные оптическиехарактеристики солнечного водонагревателясоответственно для прямой и диффузнойрадиации. Величина В в формуле (3.18)определяется зависимостью Внормативном методе расчета плоскихколлекторов солнечной энергии ихмгновенный КПД определяется по формуле: где Кк– эффективный коэффициент теплопотерьколлектора, Вт/(м2К); Тв –температура наружного воздуха, ° С; h 0– эффективный оптический КПД солнечногоколлектора; Ттн – температуратеплоносителя при входе в солнечныйколлектор, ° С; Iк – плотностьсуммарного потока солнечной радиации,поступающей на поверхность коллекторасолнечной энергии, Вт/м2; Мгновенное количество полезной энергии,даваемой коллектором, Вт, равно: где FK – площадьповерхности солнечного коллектора, м2;Iк – плотность суммарного потокасолнечной радиации, поступающей наповерхность коллектора солнечной энергии,Вт/м2; h 0 – эффективныйоптический КПД солнечного коллектора; Кк– эффективный коэффициент теплопотерьколлектора, Вт/(м2К); Ттн –температура теплоносителя при входе всолнечный коллектор, ° С; Тв –температура наружного воздуха, ° С; mK– удельный массовый расход теплоносителя всолнечном коллекторе, кг/(м2с); ср– удельная изобарная теплоемкостьтеплоносителя, Дж/(кгК). Среднемесячная удельная суточнаяпроизводительность плоского солнечногоколлектора, МДж/(м2день) где Ек –среднемесячное поступление солнечнойэнергии на поверхность гелиоприемника задень, МДж/(м2день); -среднемесячная величина степенииспользования солнечной энергии в плоскомсолнечном коллекторе. Анализ расчетахарактеристик коллектора приведеннымиспособами показал как и их аналогичность (различиякасаются принятия в качестве исходныхданных различных конструктивных элементовсолнечного коллектора), так иограниченность их применения в условияхВосточной Сибири, в частности натурныеиспытания коллектора показали егозначительно меньшее восприятие рассеяннойсолнечной радиации, чем в приведенныхметодах. Для применения метода в местныхклиматических условиях необходима егоадаптация. Расчет теплообменников и баков-аккумуляторов Всистемах солнечного теплоснабженияприменяют как проточные, так и емкостныетеплообменники. Расчеттеплообменников, включенных в установкисолнечного теплоснабжения, выполняют поизвестным зависимостям, в т. ч. повыражениям, определяющих понятиеэффективности теплообменника (e -NTU метод): где e то –эффективность теплообменника; WТ, WВ– водяные эквиваленты расходовтеплоносителя и воды; R=Wmin/Wmax –отношение минимального и максимального издвух водяных эквивалентов расходовтеплоносителя и подогреваемой среды,проходящих через теплообменник; NTU – числоединиц переноса тепла (T – температура,U –приведенный коэффициент теплопередачи): ,где k – коэффициент теплопередачи, Вт/м2К;FTO – площадь поверхности нагрева, м2;Тг.в. , Тх.в. – температурыгорячей и холодной воды. Трудностьрасчета теплообменников припроектировании установок солнечноготеплоснабжения связана с тем, что ониработают при переменных температурах, ачасто и непостоянных расходахтеплоносителей. Поэтому для практическихрасчетах можно использовать упрощенныезависимости для определения необходимыхплощадей теплообмена где Gcp –количество воды, нагреваемой за периодработы установки, кг; t - продолжительностьсуточного цикла работы установки, ч; D Т –средний температурный напор втеплообменнике, ° С; k – коэффициенттеплопередачи, Вт/(м2К). Тепловойрасчет баков-аккумкляторов выполняют побалансовым уравнениям, которые в общем видеимеют вид где t -теплопотери, Вт/К; Расчет пассивных систем Приконструировании пассивных системсолнечного теплоснабжения важно правильновыбрать расстояния между теплоприемнымэкраном и стеклом, а также между экраном истеной. Эти расстояния примерно равны имогут быть выбраны на основании уравненийпограничного слоя для естественнойконвекции. Наиболее устойчивые результатыдают следующие зависимости: дляламинарного режима где Н – высотатеплоприемного экрана, м; Nu – числоНуссельта; для турбулентного режима Высотатеплоприемника в значительной степенивлияет на его производительность.Определить наиболее рациональную высотуможно из условия где a F– коэффициент теплообмена на поверхноститеплоприемного экрана, Вт/(м2К); FX– площадь теплоприемного экрана на 1 мширины, м2; m – массовый расходтеплоносителя в межстекольномпространстве на 1 м ширины теплоприемника,кг/ч; Площадьживого сечения входных и выходных каналовопределяют из уравнения где - суммарный массовый расход воздуха вмежстекольном пространстве теплоприемника,кг/ч; r - средняя плотность воздуха впрослойке, кг/м3; S x - сумма местныхсопротивлений. Выбор типаветроэнергетической установки (для зданийиспользующих энергию ветра); Ветровойпоток, проходящий через сечение площадью Fсо скоростью u , имеющий мощность и удельную мощность где r -плотность воздуха, r u 2/2 –кинетическая энергия. Энергияветра, отнесенная к единице площади земнойповерхности, может быть определена поформуле где D t –время, ч; Руд – удельная мощностьветра на единицу площади, Вт/м2. Энергия ветраизменяется под влиянием многих факторов, кчислу которых относятся колебанияплотности атмосферы в зависимости оттемпературы и высоты над уровнем моря,шероховатости подстилающей поверхности и т.д. Кроме того, на результаты определенияэнергии ветра существенно влияет точностьотчета показаний приборов, тип ирасположение анемометра,репрезентативность условий площадки,выбранной для скорости измерения ветра.Следует отметить, что неточность в оценкескоростей ветра на 1,0 - 1,2 м/с для диапазонаскоростей 3-6 м/с может привести к ошибке воценке энергии ветра, достигающей 100% иболее. Разработка ПВК “Элементысистем жизнеобеспечения человека”,реализующего разработанную методику Дляавтоматизации вычислений, в процессеработы, возникла необходимость создатьинформационно-вычислительный комплекс длярасчета элементов систем жизнеобеспечениячеловека, в том числе с использованиемнетрадиционных источников энергии.Проектирование систем, обеспечивающихтребуемые условия микроклимата, связано срассмотрением нескольких вариантоврешений, требующих многочисленныхтрудоемких расчетов воздушно-тепловогорежима зданий. Сложная задача определенияоптимальной совокупности различныхотопительно-вентиляционных иконструктивно-планировочных решенийнаиболее полно и быстро может быть решена спомощью ЭВМ. В настоящее время составленобольшое количество программ,использующихся для расчетов отдельныхэлементов систем жизнеобеспечения.Применение ЭВМ позволяет ставить и решатьзадачи расчета воздушно-теплового режимазданий, не прибегая ко многим упрощениям идопущениям, освобождает человека отгромоздких и трудоемких вычислений, даетвозможность сосредоточится на творческойстороне вопросов. Большойинтерес при расчете экономии энергии засчет использования солнечной энергиипредставляет применение ЭВМ длямоделирования влияния различных расчетныхпараметров. Сложная природа постоянноменяющейся погоды наряду с увеличениемсложности систем отопления, вентиляции икондиционирования воздуха в зданияхзаставила обратиться к разработке программдля ЭВМ в области процессов моделирования. Программыи программные комплексы, разработанные зарубежом являются хорошим инструментом длярасчета различных систем отопления,вентиляции и кондиционирования, в том числеи с использованием нетрадиционныхисточников энергии. Однако ихнеобоснованно высокая стоимость,практически полная невозможностьлокализации и отсутствие учетаразработчиками местных специфическихусловий резко ограничивают их применимостьв России. Отечественные программы отличаются отзарубежных тем, что решают узкиеспециализированные задачи, такие каквыполнение расчетов отдельных компонентовсистем жизнеобеспечения, справочныесистемы, различные АРМ и графическиередакторы. В то же время отсутствиепрограммного комплекса, объединяющим этивозможности снижает творческиевозможности, как проектировщиков, так иинженеров, занимающихся эксплуатациейсистем жизнеобеспечения, вынуждая ихпользоваться либо большим количествомразноплановых программ, либо вовсевозвращаться к ручному счету. Вследствиеэтого давно назрела необходимость создатьинформационно-вычислительный комплекс длярасчета элементов систем жизнеобеспечениялишенный этих недостатков. Комплекс: обладающий обширными базами данных по всему спектру задач решаемых при отоплении, вентиляции и кондиционировании жилых зданий; имеющий сквозные данные во всей последовательной цепочке задач; легкий и удобный в освоении и работе; позволяющий проводить различные расчеты и исследования в данной области; имеющий хорошие графические возможности; настраиваемый пользователем согласно специфике его работы. ПВКпредставляет пакет взаимосвязанныхпрограмм, имеющие сквозные исходные ивыходные данные, общую диспетчеризацию. Всепрограммы составлены с использованиемязыка программирования Borland Delphi версий 3, 3.01и 4 , имеют 32-разрядную структуру и работаютв среде операционной системы Windows’ 9х. Базыданных, используемые ПВК, созданы в форматеParadox 7 и работают, используя пакет Borland DatabaseEngine.Каждая из программ, составляющих ПВК,отвечает за конкретную задачу. Общие принципы ПВКзаключаются в следующем: Сформирована информационная база данных составляющих элементов энергетического баланса зданий, которая включает: климатические данные населенных пунктов; теплотехнические данные строительных материалов; парциальные давления водяного пара; месячные суммы радиации, альбедо и продолжительность солнечного сияния; характеристики теплоносителей плоских солнечных коллекторов и баков-аккумуляторов; технические характеристики оборудования, применяемого в системах жизнеобеспечения человека. База данных может служить непосредственным поставщиком информации, используемой в качестве справочного материала для специалистов или в качестве исходных данных для моделей, выполняющих самостоятельные расчеты и физически с ней не связанных. Приложениями к базе данных служат модели, жестко привязанные к ней, поскольку черпают из нее информацию для своей работы. Они предназначены для определения: характеристик ограждающих конструкций зданий и сооружений; количества воздуха инфильтрирующегося через стеклянные заполнения окон и балконных дверей; теплопотерь жилой комнаты; числа секций радиатора системы отопления; воздухообмена помещения с недостатками теплоты; естественного воздухообмена помещения с избытками теплоты; воздухообмена помещения с малыми избытками теплоты; количества и характеристик воздухонагревателей; характеристик камеры орошения при политропическом процессе кондиционирования воздуха; характеристик воздушных фильтров; данных аэродинамического расчета вытяжного воздуховода систем вентиляции и кондиционирования воздуха; данных аэродинамического расчета приточного воздуховода систем вентиляции и кондиционирования воздуха; характеристик плоского солнечного коллектора; коэффициента замещения систем солнечного теплоснабжения (f-метод); 3. Кроме модельного обеспечения ПВК включает в себя сервисные программы позволяющие максимально оптимизировать работу с комплексом: программа графического проектирования; программа управления базами данных; Таким образом,общая идеология программно-вычислительногокомплекса заключается в увязкеинформационных потоков, отражающихсуществующее состояние энергетическогобаланса здания и предложения по егооптимизации. Расчетные исследованиясхем энергоснабжения системжизнеобеспечения человека дляиндивидуальных жилых домов выбраннойконструкции Задачи расчетныхисследований Задачамирасчетных исследований является оценкавозможностей применения различных видовнетрадиционных источников энергии вВосточной Сибири; оценка термодинамическойэффективности различных схемэнергоснабжения зданий с эффективнымиспользованием энергии и конструкций этихзданий. На основе результатов исследованийможно будет выработать рекомендации повопросу использования нетрадиционныхисточников энергии и технологийэнергосбережения применительно к условиямСибири и в частности Прибайкалья. Заключение Использование нетрадиционных источниковэнергии в Иркутской области имеет хорошуюперспективу. В первую очередь, этоиспользование солнечной энергии длятеплоснабжения зданий, путемпреобразования солнечной энергии втепловую. В случаеналичия централизованного теплоснабженияможно рекомендовать к использованиюэлементы систем жизнеобеспечения человека,позволяющие, в основном, экономить энергию,чем получать ее за счет возобновляемыхисточников энергии. Это вызвано, в случаеиспользования активных систем сборасолнечной энергии, с большими приведеннымизатратами на их устройство.
Gussing 100% без викопного палива. Особенности применения энергоэ. Чистый воздух. Преобразователи частоты. Концепция кондиционирования жилых комплексов. Главная -> Экология 
|