Оценка экономии топлива в результате снижения теплопотребления за счет теплопоступлений от солнечной радиации при использовании автоматизированной системы отопления жилого здания Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

Вестник Сибирского государственного индустриального университета № 2 (8), 2014

26. П у з ы р е в Е.М., Щ у р е н к о В.П., Ш ар а п о в М.А. Устройство для сжигания твердого топлива. Патент РФ № 2126113. . Бюл. Изобретений. № 4. 1999.

27. П у з ы р е в Е.М., Щ у р е и к о В.П., Щербаков Ф.В. Вихревая топка. Патент РФ № 2126932. Бюл. Изобретений. 1999. № 6.

28. Е о л у б е в В.А., И у з ы р е в Е.М., И уз ы р е в М.Е. Использование вихревых топок «Торнадо» в паровых котлах. Электронный ресурс: http://www.pem-energo.ru/ ispolzovanie-vihrevyh-topok-tomado-v-parovyh-kotlah (дата обращения 20.05.2014).

29. Исследования и разработки Сибирского отделения Российской академии наук в области энергоэффективных технологий / Отв. ред. С.В. Алексеенко (Интеграционные проекты СО РАН; Вып. 20). - Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2009. - 405 с.

© 2014 г. М.Н. Башкова, С.А. Казимиров, М.В. Темлянцев, В. И. Багрянцев, А. А. Рыбушкин, К С. Слажнева Поступила 21 мая 2014 г.

УДК 697.132.3

Д.Б. Чапаев

Сибирский государственный индустриальный университет

ОЦЕНКА ЭКОНОМИИ ТОПЛИВА В РЕЗУЛЬТАТЕ СНИЖЕНИЯ ТЕПЛОПОТРЕБЛЕНИЯ ЗА СЧЕТ ТЕПЛОПОСТУПЛЕНИЙ ОТ СОЛНЕЧНОЙ РАДИАЦИИ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ

ОТОПЛЕНИЯ ЖИЛОГО ЗДАНИЯ

Один из положительных моментов автоматизации систем отопления зданий - сокращение расхода топлива для теплогенератора за счет отклика систем на внешние возмущения, связанные с дополнительными теплопоступлениями. Одним из видов дополнительных теплопоступлений является поток солнечной радиации на здания, интенсификация которого приходится на осенние и весенние месяцы.

В настоящей работе для климатических условий г. Новокузнецка выполнена оценка снижения расхода топлива на отопление жилого здания вследствие снижения его теплопотребления за счет теплопоступлений от солнечной радиации в случае инсталляции в систему отопления радиаторных терморегуляторов и в узел управления теплоносителем - схем погодной компенсации. Бытовые и иные виды теплопоступлений в помещения, дополнительно увеличивающие процент экономии топлива, в расчете не учитывали.

Годовой расход топлива (В) для отопления здания определяется по формуле

В =

Q

Ббр

i=l_____

Ббр

|А^(т)с1т,

т

(1)

где Q - годовое теплопотребление системой отопления здания; ц - коэффициент полезного действия теплогенератора; Qp - располагаемая теплота топлива; к, и к) - коэффициенты теплопередачи и площади поверхности 7-х наружных ограждений здания; m - количество всех /-х наружных ограждений; xi и т2 - даты начала и конца отопительного периода; Atq(z) - температурный перепад между средами (внутренним воздухом помещений и наружным воздухом), разделенными наружными конструкциями здания, зависящий от времени х.

Величина Q численно равна суммарным за отопительный период трансмиссионным теплопотерям здания, которые составляют основную долю его теплопотерь. Значения Q можно определить по уравнению теплопередачи через

-32-

Вестник Сибирского государственного индустриального университета № 2 (8), 2014

наружные строительные конструкции здания [1]:

т

i=i ь

С целью учета влияния солнечной радиации на годовой расход топлива при определении Atq{x) предлагается учитывать (кроме собственно перепада температур внутреннего и наружного воздуха AtT(т)) также перепад температур внутреннего и наружного воздуха, обусловленный потоком солнечной радиации на здание (поправка на солнечную радиацию AtR(x)):

Аф) = А{т^)~А{к^)- (2)

Эта поправка принята со знаком «-», так как поток солнечной радиации является дополнительным теплопоступлением, снижающим значение А^(т).

Величина А^(т) - это такой перепад температур внутреннего и наружного воздуха \/7(т). при котором здание в условиях отсутствия солнечной радиации имело бы те же теплопотери, которые оно имеет при данной температуре наружного воздуха и потоке солнечной радиации.

Значения AtT(x) и AtR(x) определяются по следующим формулам:

(3)

А1д(т)=цв^св^('с), (4)

где tB - температура внутреннего воздуха помещений; 1н(т) - температура наружного воз-

духа, зависящая от времени т; ц - относительная площадь светопрозрачных ограждений здания; в - коэффициент пропускания светопрозрачными ограждениями суммарной солнечной радиации; RCB - термическое сопротивление светопрозрачного ограждения; J(x) - поток суммарной (прямой и рассеянной) солнечной радиации на поверхность окон, зависящий от времени т.

Для решения указанной задачи в формуле (3) можно принять постоянное во времени ос-редненное по зданию нормированное допустимое значение tB по ГОСТ 30494 - 2011. Формула (4) представлена из исследования Л.С. Гандина [2].

Расчет значения В можно произвести с достаточной для инженерной практики точностью, если в формулы (3) и (4) подставлять среднемесячные значения величин tu и J.

Расчет годового хода среднемесячных перепадов температур выполнен для жилого здания, расположенного в г. Новокузнецке, при следующих исходных данных: tB = 20 °С; значения tu принимали равными среднемесячным по СП 131.13330.2012; ц = 0,3; в= 0,67 (для окон с двойным остеклением без загрязнений осадками); RCB = 0,44 м2 оС/Вт (двойное остекление при коэффициентах теплоотдачи снаружи ан = 23 Вт/(м2 оС) и с внутренней стороны стены ав = 8,7 Вт/(м2 оС)). Значения J по месяцам принимали по СП 131.13330.2012 для восточной ориентации окон; эти значения соответствуют, согласно данным работы [2], среднему значению по сторонам горизонта.

Расчет годового хода среднемесячных перепадов температур АС(т), AtR{x) и А/У(т) представлен в таблице.

Расчет годового хода среднемесячных перепадов температур

Месяц t °с ./. Вт/\Г [> О О > tS* О О О О $ <

январь -17,2 46 37 -4 33

февраль -15,5 82 36 -7 28

март -8,1 129 28 -11 17

апрель 2,0 181 18 -16 2

май 10,0 194 10 -17 -7

июнь 16,6 203 3 -18 -15

июль 18,8 198 1 -18 -16

август 15,8 172 4 -15 -11

сентябрь 10,0 143 10 -13 -3

октябрь 2,2 93 18 -8 10

ноябрь -8,3 59 28 -5 23

декабрь -15,4 40 35 -4 32

Примечание. Положительные значения перепадов температур - теплопотери помещениями, отрицательные - теплопоступления в помещения.

-33 -

Вестник Сибирского государственного индустриального университета № 2 (8), 2014

Для удобства анализа полученной информации по результатам расчета построены графики (рис. 1); показаны только месяцы отопительного периода, то есть когда значения Atq больше нуля (согласно формуле (1) условие A tq > 0 соответствует положительному значению теплопотребления).

Положительные значения Atq в формуле (1) показывают наличие теплопотерь зданием, когда необходима работа системы отопления. Годовой ход положительных значений А^(х) определяет требуемую продолжительность отопительного периода. Переход кривой А^(т) (рис. 1) через горизонтальную линию At = 0 задает значения начала и конца отопительного периода (соответственно xi и т2), рассчитанные при учете совместного действия на здание температуры наружного воздуха и солнечной радиации; значения ii и х2 отмечены вертикальными линиями.

Значение В можно найти с достаточной точностью из графика годового хода Atq(z) по формуле прямоугольников с шагом тм, равном одному месяцу:

В

(5)

где хм - средняя продолжительность месяца; п - количество у-х месяцев отопительного периода (учитываются только месяцы отопительного периода).

Определим значение В для традиционной системы отопления здания без термостатического регулирования (то есть для системы, теплопотребление которой не зависит от теплопоступлений за счет солнечной радиации), обозначив его Вт и исключив из формулы (2) слагаемое AtR(z) (кривая \//(х) представлена на рис. 1).

Начало и конец отопительного периода должны определяться условием AtT(z) > 0, то есть переходом температуры через значение tu = /,,, когда отсутствуют теплопотери помещениями, что в условиях Сибирского региона означало бы почти круглогодичную работу неавтоматизированной системы отопления. В практике теплоснабжения время начала Xi и конца х2 отопительного периода приняты, согласно СП 124.13330.2012, при среднесуточной температуре наружного воздуха 8 °С за пять суток подряд lH(xi) = /,,(х2). Если принять значение tB для жилых помещений 20 °С, то в настоящее время даты начала и конца отопи-

тельного периода в условиях г. Новокузнецка определяются переходом кривой AtT(z) через горизонтальную линию At = 12 °С, а время, когда АС(т) более 12 °С, определяет продолжительность отопительного периода (вертикальные штриховые линии).

При сопоставлении сроков начала и конца отопительного периода, рассчитанных при учете совместного действия температуры tu и солнечной радиации, с определенными только по температуре видно, что в связи с избытком солнечной радиации весной целесообразно конец отопительного периода перенести так, как это показано на графике (с 10 мая на 20 апреля). При этом температура наружного воздуха конца отопительного периода 1н(х2) = = tB - А С(т2) = 20 - 16 = 4 °С, где значение Al’T (х2 ) = 16 °С принято по рис. 1.

Таким образом, избыток солнечной радиации в апреле-мае позволяет сократить отопительный период в г. Новокузнецке на 20 дней без заметного снижения комфортных условий в помещениях.

Значение Вт можно найти с достаточной точностью из графика годового хода AtT(z) по формуле прямоугольников с шагом тм, равным одному месяцу:

~ ’ 1 п Тм^(^г)у •

Пбр % J

(6)

Экономия годового расхода топлива для теплогенератора в результате автоматизации системы отопления здания (установки радиаторных терморегуляторов и схемы погодной компенсации), связанная с учетом влияния солнечной радиации на теплопотребление отопительной системой, составит

Рис. 1. Перепад температур с сентября по май для г. Новокузнецка

-34-

Вестник Сибирского государственного индустриального университета № 2 (8), 2014

Д = 5^_В10()% =

Вт

Z(A'r),-E(At Д

= —--------—-------100 % . (7)

j=1

Аналогичным образом можно уточнить ежемесячную экономию расхода топлива (при подстановке в формулу (7) вместо суммарных значений перепадов температур соответствующих перепадов температур отдельных месяцев). Значения снижения расхода топлива в случае учета системой потока солнечной радиации по месяцам отопительного периода представлены на рис. 2.

Экономия топлива за счет теплопоступлений от солнечной радиации в осенние месяцы (октябрь, ноябрь) составляет в среднем 30 % (за два месяца), в весенние месяцы (март, апрель) - 65 % за два месяца. Даже в наиболее холодные месяцы года (декабрь, январь) указанные теплопоступления позволяют снизить теплопотребление системой отопления на 10 %.

По результатам расчета годового хода перепадов температур имеем:

£(ч). °С (суммируются месяцы,

j=1 3

когда Atq > 0);

П

£(Д*Г),=210°С (суммируются месяцы,

j=1

когда ДtT(x) > 12 °С);

Д = (210-145)-100/210 « 30 %.

Рис. 2. Ежемесячная экономия топлива

Выводы. Для условий г. Новокузнецка годовая экономия топлива составит 30 %. Такое снижение затрат в весенний период, а также в те зимние дни, когда наблюдается значительный поток солнечной радиации, на фоне увеличения тарифов на отопление зданий ведет к стимулированию работ в области автоматизации систем отопления. Причем в расчете не учитывали теплопоступления от других источников (например, от бытового оборудования) и периодическое суточное увеличение плотности потока солнечной радиации в ясные дни, увеличивающие рассчитанный процент экономии. Однако следует сказать о необходимости комплексного подхода к созданию энергосберегающих систем теплопотребления: кроме обязательной инсталляции в системы терморегуляторов в совокупности со схемами погодной компенсации целесообразной является реализация схем пофасадного регулирования, а также работы по улучшению теплотехнических характеристик зданий (теплоизоляция наружных строительных конструкций и т.п.). Комплексный подход к внедрению энергосберегающих мероприятий обеспечит значительно больший экономический эффект.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Басин А.С., Чапаев Д.Б., Смирнов а Е.В. Учет метеорологических факторов, прогрева конструкций и инфильтра-ционных теплопотерь в расчете теплового потока на отопление жилых зданий района. - В кн.: Новые строительные технологии 2010: сб. науч. трудов. - Новокузнецк: изд. СибГИУ, 2010. С. 263 - 265.

2. Г а н д и н Л.С. О расчете длительности отопительного периода и норм отопления в различных климатических условиях. - В кн.: Труды Главной геофизической обсерватории. -Л.: Гидрометеоиздат, 1971. Вып. 285. С. 3- 16.

© 2014 г. Д.Б. Чапаев Поступила 16 июня 2014 г.

-35 -