Володин В.И Энергосбережение

Подождите немного. Документ загружается.

121

•

за счет уплотнения оконных рам на 70%;

•

за счет двойного остекления на 60%;

•

через пол на 75%.

Аналогичные исследования проводились на Украине для двухкомнатной

квартиры в доме, построенном до 1994 года. После реконструкции дома, в

соответствии с более поздними требованиями к сопротивлению теплопередачи,

экономия энергии стала эквивалентна 690л жидкого котельного топлива [11].

Для уменьшения потерь через ограждающие конструкции применяются

теплоизоляционные материалы с коэффициентом теплопроводности меньше

0,2 Вт/(м

⋅

К). В настоящее время выпускается широкий спектр изоляционных

материалов, применяемых в строительстве: минеральная вата, утеплители на

основе стекловолокна и стеклотканей, полистирол, пенопласт, керамзитовый

гравий и другие. Древесина также относится к теплоизоляционным материалам.

Например, поперек волокон она имеет коэффициент теплопроводности, равный

0,14-0,16 Вт/(м

⋅

К), а вдоль



0,35-0,41 Вт/(м

⋅

К). Древесноволокнистые плиты

имеют коэффициент теплопроводности, равный 0,093 Вт/(м

⋅

К).

Рис.10.2. Ограждение, выполненное по старой (а) и новой (б) технологиям:

1 – несущая стеновая конструкция; 2 – фактурный слой; 3 – пристенный тепловой

пограничный слой; 4 – теплоизоляционный материал

В современном строительстве стеновые конструкции для облегчения

делают многослойными. Утеплитель, как правило, располагают между слоями из

бетона или кирпичной кладки. При утеплении существующих зданий утеплитель

может крепиться на наружной или внутренней стенах. Предпочтительней

изоляцию проводить снаружи (рис.10.2), так как в противном случае

сокращается полезная площадь помещений, возникает необходимость переноса

электрооборудования, имеется вероятность выпадения конденсата и образования

плесени, требуется выселение жильцов на время ремонта. Внутреннюю

теплоизоляцию стен обычно проводят для зданий, являющихся памятниками

36%

82%

С, t

=20

С, ϕ

=50%

а) б)

122

существующих зданий. Стеновые конструкции утепляют плитными

материалами, закрепляемыми на стенах, поверх которых наносится штукатурка

или другие защитные влагостойкие материалы. Одним из наиболее

распространенных утеплителей является минеральная вата. Утепление стен

повышает комфортные условия в помещении. Температура внутренней

поверхности стены увеличивается с 13-14 до 18-19

С, что ведет к уменьшению

излучения. При этом относительная влажность в стеновой конструкции

уменьшается с 82 до 36%, снижая риск конденсации и разрушения.

Для теплоизоляции перекрытий применяют как плитные, так и насыпные

материалы. Для утепления крыш весьма удобными являются рулонные

материалы, укладываемые между стропилами. При утеплении крыш и

перекрытий дополнительно используются парозащитные пленки, которые

препятствуют выпадению конденсата. Эффективность изоляции крыш и

чердачных перекрытий выше у малоэтажных зданий, чем у многоэтажных. Для

одно- или двухэтажного коттеджа потери уменьшаются на 20%, а для

девятиэтажного дома  на 3,5%.

Наибольшие потери тепла сосредоточены в мостиках холода. Различают

геометрически обусловленные мостики холода и обусловленные конструкцией и

материалами (рис.10.3). В первом случае потери тепла возрастают за счет

увеличения наружных поверхностей теплообмена в углах зданий, при наличии

выступов. Во втором - за счет отличий теплотехнических свойств материалов

стен и опор перекрытия перемычек. Например, кирпичная кладка и железобетон

имеют коэффициенты теплопроводности 0,7 и 1,5 Вт/(м⋅К). Специальные

приемы теплоизоляции мостиков холода позволяют снизить теплопотери

приблизительно в два раза [55].

Рис.10.3. Геометрически обусловленные мостики холода (а) и мостики холода,

обусловленные использованием материалов с высокой теплопроводностью и

особенностями конструкции (б). Стрелками указаны направления потоков теряемого

тепла

123

Значительное количество тепла теряется через окна. В домах старой

постройки, значение коэффициента теплопередачи окон может достигать

3,5 Вт/(м

⋅К). При этом потери составляют почти 50% от тепла, потребляемого

на отопление. В настоящее время на основе деревянных, пластиковых или

алюминиевых профилей изготавливаются более современные окна с

коэффициентом теплопередачи 0,8-1,5 Вт/(м

⋅К). Окна изготавливаются в виде

стеклопакетов с 2, 3 или 4 стеклами. В некоторых конструкциях воздушное

пространство между стеклами заполняется аргоном. Стеклопакеты

обеспечивают высокую герметичность. При качественном уплотнении швов

между стеной и оконной коробкой коэффициент инфильтрации приближается к

нулю. Довольно просто можно модернизировать старые окна, добавив третий

слой стекла (рис.10.4а) или закрепив слой прозрачной пластмассовой пленки.

Эффективным является также использование ленточного утеплителя по всему

периметру оконных притворов. Уменьшения потерь можно достичь, применяя

стекла с селективным теплоотражающим покрытием, которые пропускают

инфракрасное излучение только в одну сторону. Например, зимой с наружной

стороны внутрь помещения. Если летом развернуть окно на 180

 также будет

обеспечиваться комфорт. В производственных зданиях могут применяться

вентилируемые окна, когда удаляемый теплый воздух проходит через

межстекольный зазор, создавая тепловую завесу (рис.10.4 б,в) [56]. В результате

этого потери тепла через окна снижаются.

Рис.10.4. Окно с дополнительным остеклением (а), вентилируемое окно,

подсоединенное к вытяжной вентиляции (б), и сообщающееся с атмосферой окно (в):

1 - крепление для дополнительного стекла; 2 – стекло; 3 - уплотнитель

124

За счет разности давлений снаружи и внутри помещения холодный воздух

через щели проникает в помещение. В табл.10.2 даны годовые потери тепла

через окна двухкомнатной квартиры.

Таблица 10.2

Потери тепла за счет воздухообмена через неплотности

в оконных проемах [11]

Коэффициент

инфильтрации

Оценка

инфильтрации

Годовые потери тепла,

ГДж

0,5 Минимальная 5,2

1,0 Допустимая 10,4

1,5 Избыточная 15,6

2,0 Ущербная 20,8

Для уменьшения потерь за счет воздухообмена необходимо провести

тщательное уплотнение между оконной коробкой и стеновой конструкцией и в

оконных притворах. Наиболее экономична вентиляция не за счет постоянного

естественного воздухообмена, а за счет кратковременной вентиляции с большим

расходом воздуха при периодическом открытии окон. В случае приточно-

вытяжной вентиляции необходимо проводить рекуперацию тепла, установив

теплообменный аппарат (см.рис.5.13).

Пример 10.1. Температура воздуха в помещении t

=18

С, а снаружи t

=-20

С.

Объем помещения равен V

=100 м

. Потери тепла за счет инфильтрации составляют

=500 Вт. Найдите коэффициент инфильтрации воздуха m. Соответствует ли

коэффициент инфильтрации нормативам?

Решение. Воспользуемся формулой (10.3). После ее преобразования получим

395,0

100)2018(

5003

V)tt(

пнв

⋅+

⋅

−

Коэффициент инфильтрации воздуха соответствует нормативам.

Тепло теряется также через дверные проемы или ворота и

технологические проемы цехов производственных зданий. Потери будут

значительными при больших людских и грузовых потоках. Их уменьшение

может быть достигнуто за счет сооружения входных тамбуров и организации

воздушных завес.

10.2. Регулирование теплопотребления в зданиях

После утепления зданий для увеличения эффективности использования

теплоты в системах отопления зданий необходимо выполнить второй этап

программы - внедрить системы регулирования отпуска тепла.

125

Вначале рассмотрим особенности существующих систем отопления. В

60-70-х годах в эксплуатацию сдавались однотрубные системы с

последовательным соединением отопительных приборов (рис.10.5а). Данные

системы имеют два основных недостатка:

Рис.10.5. Система отпуска тепла в домах старой застройки (а) и в домах после

модернизации (б): 1 - отопительный прибор; 2 - байпас; 3 - задвижка; 4 - грязевик; 5 -

водоструйный элеватор; 6 - термостатирующий вентиль; 7 - фильтр; 8 - теплосчетчик;

9, 10 - датчики температуры в подающем теплопроводе; 11 - автоматический

терморегулятор с погодной коррекцией; 12 - трехходовой клапан; 13 - датчик

температуры в обратном теплопроводе; 14 - электромагнитный расходомер; 15 -

циркуляционный насос; 16 - датчик температуры наружного воздуха

б)

Обратный

трубопровод

Подающий

трубопровод

126

Теплоноситель, последовательно проходя через отопительные

приборы, постепенно охлаждается, и потребители получают различное

количество тепла, т.е. находятся в неравных условиях по теплопотреблению.

Установка дополнительных байпасных линий на каждом приборе сглаживает

этот отрицательный фактор, но полностью не устраняет его.

Невозможность индивидуального регулирования потребления тепла на

отопительном приборе, так как такая регулировка сразу отражается на всех

последовательно соединенных приборах. Изменяя расход на одном приборе, мы

тем самым изменяем его на всех.

Таким образом, однотрубные системы отопления ставят потребителей

тепла в неравные условия и исключают возможность индивидуального

регулирования отопительных приборов.

Недостатков, присущих однотрубным системам отопления, лишены

двухтрубные системы с параллельным соединением отопительных приборов

(рис.10.5б). К отопительным приборам подводится теплоноситель практически с

одинаковой температурой. Изменение расхода теплоносителя в одном приборе

от максимального до нулевого значения не влияет на работу остальных

приборов, подключаемых к системе. Это дает возможность на каждом приборе

установить термостатирующий вентиль

(радиаторный терморегулятор) для

индивидуального регулирования отпуска

тепла. Установка таких терморегуляторов

позволяет за отопительный сезон

сэкономить приблизительно 15% энергии.

Понижение температуры в отапливаемом

помещении на 1

С уменьшает потребление

энергии на 7%.

Принцип действия термостатирую-

щего вентиля (рис.10.6) заключается в

следующем. Установка режима работы

производится ручным регулятором 1 с

делениями, который соединен с

регулирующим органом. При повышении

температуры воздуха в отапливаемом

помещении увеличивается объем термо-

чувствительного элемента 2. Увеличение

объема приводит к перемещению штока датчика температуры 3, который

воздействует на клапан. В результате уменьшается проходное сечение для

теплоносителя. Снижается его расход, что и вызывает уменьшение средней

Рис.10.6. Радиаторный терморегу-

лятор: 1 – регулятор для установки

режима отопления; 2 – термочувст-

вительный (жидкостной) элемент;

3 – шток датчика температуры; 4 –

шкала настройки; 5 – сальник; 6 –

клапанный узел; 7 – резьбовое под-

соединение

127

температуры теплоносителя в отопительном приборе, а следовательно, и воздуха

в помещении.

Достоинством термостатирующих вентилей является также и то, что

регулировка расхода теплоносителя производится с учетом поступления тепла

от других источников в помещении. Электрическое освещение, бытовые

электроприборы, плиты, холодильники и сам человек отдают тепло в

помещение, что и учитывается индивидуальными регуляторами тепла. На рынке

в настоящее время имеется широкая гамма термостатирующих вентилей

различных производителей.

Кроме индивидуального регулирования отпуска тепла на отопление,

имеются системы регулирования для отдельных домов или группы домов в

зависимости от размещения теплопунктов. Данные системы (рис.10.5б)

оснащаются датчиками температур наружного воздуха 16 и теплоносителя в

подающей линии 9, 10. Кроме того, система оснащается процессором 11 для

автоматической обработки поступающих сигналов, на основе анализа которых

формируются команды управления и с помощью исполнительного механизма

производится автоматическое регулирование отпуска тепла. В качестве

исполнительного механизма служит регулирующий клапан 12 с редукторным

электроприводом. С их помощью изменяется расход теплоносителя с учетом

изменения наружного климата. С помощью дополнительного теплообменника

может осуществляться горячее водоснабжение, которое дополнительно

включает бак-аккумулятор, что позволяет более рационально использовать

теплоту.

Системы регулирования могут работать по заданной программе.

Например, при односменной или двухсменной работе учреждений и

предприятий после окончания рабочего дня отпуск тепла уменьшается, а перед

началом - повышается до требуемых нормативов. В жилых домах, наоборот,

отпуск тепла максимален в вечернее время, когда большинство людей находится

дома и требуется поддержание комфортных условий. Кроме того, данные

системы позволяют осуществлять пофасадное регулирование отпуска тепла,

которое учитывает направление и интенсивность ветра, а также потоки

лучистого тепла Солнца. Такая система дает возможность создавать однородные

комфортные условия для обитателей всех помещений и приводит к более

эффективному использованию энергии.

Использование автоматизированной системы регулирования отпуска

тепла позволяет уменьшить потребление энергии на 15-20%. Однако такая

экономия энергии достижима после предварительного утепления здания.

128

10.3. Дома с ограниченным энергопотреблением и энергонезависимые дома

В настоящее время во многих странах проводятся исследования и

построены опытные дома с минимальным потреблением тепла на отопление

(«пассивные» дома) и независимым энергоснабжением («солнечные» дома).

Концепция пассивного дома предпологает незначительное потребление

энергии за счет высокой теплоизоляции здания, исключения воздухообмена

через неплотности оконных и дверных проемов и использования

принудительной вентиляции, которая включается автоматически лишь при

превышении содержания СО

и других вредных веществ воздуха помещения.

Система вентиляции содержит рекуператор для утилизации отходящего тепла.

Кроме того, после забора свежий атмосферный воздух в зимнее время

предварительно подогревается, проходя через трубы, уложенные в грунт.

Соблюдение этих правил позволяет отапливать дом за счет поступления тепла от

работающих бытовых приборов и людей, находящихся в помещении. В таких

домах также максимально используется тепловой лучистый поток Солнца за

счет применения стекол с селективным покрытием и других конструктивных

элементов, аккумулирующих тепло. В этих домах потребление энергии на

отопление составляет для условий Германии 15 кВт⋅ч/(м

год), в отличие от

домов, построенных по нормам 1980-1995г.г., где потребляется

70-110 кВт⋅ч/(м

год).

В странах, располагающих значительными потоками солнечной энергии

строятся дома специальной архитектуры с системами солнечного

энергоснабжения, поэтому часто применяется термин «солнечный дом».

Есть проекты, где за счет солнечной энергии и активного использования

аккумулирующих систем удовлетворяются все потребности в тепле и

электричестве. В большинстве случаев такие дома строятся, чтобы

осуществлялось максимальное покрытие тепловой нагрузки на

теплоснабжение и горячее водоснабжение, которое состовляет от 35 до

85% [57]. Системы теплоснабжения в таких домах комбинированные,

включающие резервный подогрев воды другими источниками энергии, в

том числе и тепловыми насосами (рис.10.7).

Утепление существующих зданий и строительство новых с учетом

повышенных норм на сопротивление теплопередачи в сочетании с внедрением

систем регулирования отпуска тепла и максимальным использованием потоков

солнечной энергии является приоритетным направлением по эффективному

использованию энергии на нужды теплоснабжения.

129

Рис.10.7. Солнечная система теплоснабжения с аккумулятором тепла и тепловым

насосом

Контрольные вопросы

1. Назовите два направления энергосбережения в строительстве, способствующие

уменьшению потребления тепла в зданиях?

2. Что дает утепление ограждающих конструкций зданий? Каким образом оно

осуществляется?

3. Каким образом можно снизить потери тепла через окна?

4. Что такое инфильтрация воздуха? Назовите предельно допустимое значение

коэффициента инфильтрации воздуха.

5. Как рассчитать потери тепла через ограждения зданий?

6. В чем заключается модернизация систем отопления зданий, направленная на

уменьшение теплопотребления?

7. Для чего служит термостатирующий вентиль? Как он работает?

11. ЭКОЛОГИЯ И ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ

Экология - научное направление, изучающее проблемы рационального

использования природных ресурсов и охраны окружающей среды.

Окружающая среда включает биосферу, которая охватывает нижнюю

часть атмосферы, гидросферу и верхнюю часть литосферы (земная кора и

верхняя мантия).

11.1. Экология невозобновляемых источников энергии

Объекты энергетики являются источниками вредных выбросов в

окружающую среду. В процессе горения топлива, наряду с выделением

тепловой энергии, с отходящими газами выбрасывается ряд веществ,

оказывающих отрицательное воздействие на окружающую среду. Их

характеристика дана в табл.11.1. Воздействие на окружающую среду оказывают

также и другие газы, поступающие в атмосферу: пар, метан, хладагенты.

Для лучшего понимания механизма отрицательного воздействия

выбрасываемых в атмосферу вредных веществ рассмотрим ее строение

(рис.11.1) [58]. Атмосфера включает четыре области по высоте:

• тропосферу  от 0 до 10÷12 км с падением температуры до -55

С и

давления до 41,0 мм рт.ст.;

Солнечный

коллектор

Аккумулятор

теплоты

Здание

Тепловой

насос

130

• cтратосферу  от 10÷12 до 50÷55 км с ростом температуры до 0

С и

падением давления до 8,9 мм рт.ст. в средней стратосфере и до 0,63 мм рт.ст.

в верхней;

• мезосферу  от 50÷55 до 80÷90 км с падением температуры до -90

С и

давления до 0,04 мм рт.ст.;

• термосферу, простирающуюся от 80÷90 км до 200-300 км с непрерывным

повышением температуры до сотен градусов.

Таблица 11.1

Основные вещества, выбрасываемые в атмосферу энергетическими объектами

Наименование Характеристика

Диоксид серы (SO

) Оказывает воздействие на окисление, разрушает

материалы и вредно воздействует на здоровье человека

(раздражает слизистую оболочку дыхательных путей).

Используется для получения ряда химикатов и для

консервирования фруктов.

Оксид азота (NO

) Оказывает вредное воздействие на здоровье человека и

способствует образованию парникового эффекта и

разрушению озонового слоя, что также отрицательно

воздействует на здоровье человека. Оксид азота

вызывает «вымирание лесов», «кислотные дожди».

Моноксид углерода (СО) Выделяется в результате неполного сгорания топлива.

Взаимодействует с другими веществами и оказывает

разнообразное вредное воздействие (угарный газ). В то

же время является высококалорийным топливом в

процессе газификации угля.

Углекислый газ (СО

) Образование СО

- необходимое условие процесса

горения (производства энергии). Однако экологические

законы ограничивают уровень выбросов СО

(Протокол,

принятый в Киото в 1997). Углекислый газ способствует

созданию парникового эффекта. Применяется в пищевой

и холодильной промышленности.

Твердые частицы Включают сажу и другие несгоревшие материалы.

Переносят тяжелые металлы и углеводороды. Могут

являться источником выбросов в атмосферу

радионуклидов при сжигании древесины из

Чернобыльской зоны.

Каждая зона атмосферы завершается областью постоянной температуры:

тропопаузой, стратопаузой и мезопаузой. Газы накапливаются в верхних слоях

тропосферы и стратосферы, препятствуют выходу теплового инфракрасного

излучения с поверхности Земли, нагретой Солнцем. Атмосфера и поверхность

Земли нагреваются, пока уходящие потоки энергии не уравняются с

приходящими. Это явление представляет собой парниковый эффект (рис.11.2),

который сопровождается нагревом тропосферы и охлаждением стратосферы.