III Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2011

Отопление предназначено для поддержания в помещениях такой температуры, которая соответствует нормам для людей, оборудования, приборов, предметов. Для этих целей до настоящего времени наиболее широко применяются системы водяного и воздушного отопления. С их помощью в помещениях поддерживается требуемая температура воздуха. Сейчас наблюдается тенденция отхода от использования традиционных водяных и воздушных систем и расширения применения систем лучистого отопления. Область применения лучистого отопления в России определена требованиями СНиП 41-01-2003 [1], которые введены в действие с 01.01.2004 взамен СНиП 2.04.05-91.

Причина повышенного внимания к лучистому отоплению заключается в большей его комфортности и экономичности. Так, ощущение комфорта в помещении зависит не только от температуры воздуха, как обычно принято считать, но и от температуры окружающих предметов, создающих среднюю инфракрасную (среднюю лучистую, среднюю термодинамическую) температуру среды. Эта температура для помещения определяется по формуле:

                                                                  (1)

где F_i и t_i - площадь и температура внутренней поверхности каждой из ограждающих конструкций в помещении.

Рис. 1 Области тепловых условий для человека, выполняющего легкую работу в отапливаемом помещении

При одной и той же температуре воздуха t_в (например, 20^оС) тепловые ощущения человека в зависимости от температуры t_ср могут быть различными. Эти ощущения могут характеризоваться оценками «холодно» при пониженной t_ср (если, например, t_ср ниже 16^оС при t_в=20^оС), «нормально» (если t_ср=16-25^оС при той же температуре воздуха) и «жарко» при повышенной t_ср (выше 25^оС в приведенном примере). Зона комфортных сочетаний t_в и t_ср показана на рис. 1.

Анализ печатных и электронных источников по проблемам отопления показал, что системы лучистого отопления обладают высокой энергетической, эксплуатационной, экономической эффективностью, рациональными капитальными затратами, а также высокими физиологическими свойствами и дизайнерским потенциалом.

Рассмотрим формирование показателей эффективности лучистого отопления на примере учебно-тренировочного комплекса (УТК). Рабочая (обитаемая) зона УТК НВИИВ, планируемого к размещению в сооружении Г-18, изначально разработанном для гаража на 18 автомобилей, аналогична рабочей зоне производственных зданий и составляет всего 20-30% внутреннего объема сооружения. Именно эти 20-30% объема учебно-тренировочного комплекса НВИИВ и требуют поддержания комфортных условий, необходимых для работы курсантов и преподавателей.

Конвективный нагрев 70-80% воздуха, находящегося над рабочей зоной УТК, следует отнести к прямым потерям энергии на отопление. Но известно, что удержать теплый воздух в нижней части помещения невозможно, он неизбежно будет подниматься вверх, под крышу сооружения. Рост температуры воздуха в производственных зданиях, оборудованных конвективными системами отопления, по данным [1] составляет приблизительно 2,5^оС на 1 м высоты. Таким образом, в УТК, высотой 7,5 м, при средней температуре в рабочей зоне 18°С воздух под крышей окажется нагретым до 30-32^оС. Такой перегрев воздуха приведёт к резкому возрастанию тепловых потерь через наружные ограждения верхней части сооружения.

Кроме того, наличие фундаментов под оборудование (например, под действующие дизель-генераторы энергетической площадки), усложняет задачу подвода к УТК и разводки там трубопроводов системы отопления. При этом трубопроводы будут пересекаться с силовыми сетями и сетями управления, расположенными ниже уровня пола. При размещении тепловых сетей в таких условиях трудно обеспечить гидравлическую устойчивость. Вдобавок высокая плотность блуждающих токов, характерная для производственных помещений, будет вызывать интенсивную электрохимическую коррозию водяных труб. По этой причине до недавнего времени практически единственным способом отопления производственных помещений было воздушное.

Но воздушное отопление имеет существенные недостатки, среди которых отмеченный ранее повышенный градиент распределения температур воздуха по высоте помещения, снижение комфортности пребывания людей из-за сквозняков, увеличение выделения тепла телом человека при его обдуве воздухом, требующее повышения температуры воздуха на 1-2^оС с соответствующим дополнительным увеличением тепловых потерь через наружные ограждения и др.

Поэтому для УТК НВИИВ воздушное отопление не может считаться достойной альтернативой несовершенному, как показано выше, водяному конвективному отоплению. Такую альтернативу составляют в настоящее время системы лучистого отопления [2].

Энергетическая эффективность использования лучистого отопления в УТК определяется с учётом суточного, недельного и годового режимов его работы и допустимых минимальных и максимальных уровней температуры воздуха. Например, примем суточный режим работы УТК из расчета наиболее полной его загрузки: начало занятий - 9 час. 00 мин.; конец занятий - 19 час. 00 мин. Таким образом, считаем, что курсанты и преподаватели находятся в помещениях УТК в течение 10 часов. В течение остальных 14 часов помещения свободны от людей. Исходя из этого, задается температурный режим: в присутствии людей +18^оС; в отсутствии людей +12^оС. Температура воздуха в УТК в присутствии людей определяется санитарно-гигиеническими требованиями. Температура воздуха в отсутствии людей определяется минимальным уровнем температуры воздуха в помещениях, который не наносит какого-либо ущерба оборудованию, приборам, информационным стендам, дизайнерской отделке.

С учетом динамических свойств системы лучистого отопления, характеризуемых низкой инерционностью, на учебный (рабочий) день задается следующая суточная программа её работы: включение системы на высокотемпературный режим в 8 час. 00 мин., за 1 час до начала занятий; перевод системы в низкотемпературный режим в 19 час. 00 мин.

Составляющие энергосберегающего эффекта от использования системы лучистого отопления в учебно-тренировочном комплексе НВИИВ

Пауза в потреблении энергии на период отсутствия людей в помещениях

Паузы в потреблении электроэнергии на период отключения электронагревателей системы электрического лучистого отопления в режиме регулирования (поддержания) заданной температуры

Снижение температуры воздуха в помещениях УТК в сравнении с конвективным нагревом по причинам оптимизации расхода энергии за счёт факторов, обеспечивающих терморегуляцию организма и комфортность ощущений людей в отапливаемых помещениях

Энергосберегающий эффект достигается этой системой в течение рабочего дня и имеет три составляющих (рис. 2).

Рис. 2. Составляющие энергосберегающего эффекта лучистого отопления

1. Пауза в потреблении электроэнергии, которая образуется в процессе охлаждения помещений УТК при переходе с высокотемпературного режима (+18 ˚С) к низкотемпературному режиму (+12^оС) с 19 до 8 часов следующих суток, всего 13 часов.

2. Паузы в потреблении электроэнергии, которые образуются в режиме регулирования заданной температуры. Эти паузы образуются за счет того, что при поддержании в заданных пределах температуры в помещениях периодически отключаются все или часть излучателей. Причины отключения: отсутствие курсантов на тех или иных рабочих местах, достижение верхнего регулируемого предела температуры в помещениях УТК вследствие повышения температуры наружного воздуха или вследствие тепловыделений в помещениях при работе тепловыделяющего оборудования (дизельгенераторов или бензоагрегатов и др.) и т.п.

3. Снижение температуры воздуха в сравнении с конвективным нагревом под влиянием физиологического воздействия мягкого инфракрасного излучения на человеческий организм.

В результате проведенного анализа использования лучистого отопления в УТК НВИИВ установлено, что наибольший энергосберегающий эффект обеспечивает первая составляющая. Если теплофизические свойства здания соответствуют требованиям современных СНиП (нормальная теплоизоляция ограждающих конструкций), то при температуре воздуха на улице - 5^оС (средняя температура воздуха за отопительный сезон для Нижегородской области), время охлаждения составит 40-45 часов. Это означает, что за 13 часов (период от начала перехода системы лучистого отопления в низкотемпературный режим до начала перехода в высокотемпературный режим) расход электроэнергии на отопление будет равен нулю.

Вторая составляющая энергосберегающего эффекта формируется в процессе поддержания температурного режима за счет зоны нечувствительности регулятора (зоны возврата). Это разность между температурной уставкой регулятора (температура отключения) и температурой включения регулятора на восстановление температуры: она составляет, как правило, 2^оС. Таким образом, поддержание температуры осуществляется включением излучателей для доведения температуры воздуха в помещениях до максимального заданного значения и отключением, когда температура воздуха уменьшится на 2^оС. При нормальных условиях в течение часа время включенного состояния излучателей составляет около 10 мин., а время отключенного состояния - около 50 мин. (время включенного состояния составляет 15-16%). При установленной мощности системы лучистого отопления из расчета 100 Вт/м² средняя часовая мощность составит лишь 15-16 Вт/м². Очевидная экономичность использования системы лучистого отопления в помещениях УТК НВИИВ может служить аргументом для её выбора при условии соблюдения санитарных требований к тепловому режиму помещений.

Третья составляющая энергосберегающего эффекта обеспечивается тем, что состояние теплового комфорта при воздействии на человека излучением наступает на 2-3^оС ранее, чем при конвективном отоплении [3]. Это позволяет устанавливать уставку регулятора, датчик которого измеряет температуру воздуха, на меньшее значение максимальной температуры соответственно на 2-3^оС. Например, вместо +18^оС, необходимых для помещений УТК по санитарно-гигиеническим нормам, +16^оС. Наглядно рассмотренные соотношения для различных областей тепловых условий для курсантов, проходящих тренировочное обучение в помещениях УТК НВИИВ, показаны на рис.1.

Литература

1. Строительные нормы и правила «Отопление, вентиляция и кондиционирование», СНиП 41-01-2003. - М.: ГУП ЦПП Госстроя России, 2004.

2. Голубцов, Н. В. Инновации в энергетике [Текст]: монография /            Н. В. Голубцов. М.: ИНФРА-М, 2010 - 250 с.

3. Наумейко, А. В. Энергоэффективные системы отопления: Учебное пособие/ А. В. Наумейко, П. В. Кузнецов, Ю. И. Толстова, Р. Н. Шумилов. Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2003. -106 с.

Код для цитирования: Скопировать