Влияние теплового режима наружных ограждающих конструкций на нагрузку системы отопления при прерывистой подаче теплоты

строительная теплофизика и энергосбережение

Влияние теплового режима наружных

ограждающих конструкций на нагрузку системы отопления

при прерывистой подаче теплоты

Е.Г. Малявина, P.P. Асатов

1. Постановка задачи. В условиях дефицита и постоянного увеличения цен на энергоносители, задача повышения эффективности использования энергетических ресурсов приобретает приоритетное значение. Одним из мероприятий по экономии тепловой энергии на поддержание заданного микроклимата общественных зданий является прерывистое отопление. При нем в нерабочее время, когда для температуры помещения не выдвигается жестких требований, от системы отопления подается меньше теплоты, чем необходимо для поддержания заданных температурных условий в рабочее время. Однако для восстановления температуры к началу рабочего дня, в помещение необходимо подавать теплоту с большей интенсивностью, чем при постоянно действующей системе отопления. Большинство исследований, например, [1] исходит из того, что к началу рабочего времени помещение нагрето до температурной обстановки, соответствующей санитарно-гигиеническим условиям. Основным критерием в этом случае является достижение к началу рабочего дня требуемой температуры воздуха и на внутренних поверхностях наружных и внутренних ограждающих конструкций. При этом автор [1] полагает, что к началу рабочего дня ограждения прогреты до условия стационарного режима, и интенсивность подачи теплоты в рабочее время соответствует интенсивности при стационарном отоплении. Однако, требуемая температура на внутренней поверхности ограждающих конструкций не гарантирует отсутствия потребности в дополнительной тепловой энергии на прогрев их внутренних слоев в течение рабочего дня.

В качестве инструмента исследования теплового режима ограждающих конструкций и нагрузок на систему отопления при прерывистом отоплении была разработана программа расчета на ЭВМ нестационарного теплового режима помещения.

2. Основные положения алгоритма программы расчета нестационарного теплового режима помещения.

В основу программы положен расчет в конечных разностях с построением неявной разностной схемы методом теплового баланса. Впервые применительно к расчету теплового режима помеще-

ния метод был реализован в программе расчета на ЭВМ Ю.А.Табунщиковым [2]. Метод позволяет осуществить решение задачи в наиболее полной постановке, при разнообразных изменениях условий на границах ограждений и в помещении, без привязки величины шагов во времени к шагам по координате, пошагово учесть изменение характеристик теплового процесса во времени при достаточной точности результата. В помещении рассматривается лучисто-конвективный теплообмен. При этом тепловой баланс внутренней поверхности каждой ограждающей конструкции (включая окна) учитывает лучистый теплообмен ее со всеми другими внутренними поверхностями, конвективный теплообмен с воздухом и приходящую на эту поверхность лучистую теплоту внутренних источников или проникающую через светопрозрачные наружные ограждающие конструкции солнечную радиацию. Расчет лучистого теплообмена между любыми двумя поверхностями, обращенными в помещение, выполняется с учетом геометрических коэффициентов облученности. Тепловой баланс воздуха помещения включает в себя конвективный теплообмен с каждой внутренней поверхностью, потоки конвективной теплоты от внутренних источников и теплоту, вносимую вентиляционным и инфильтра-ционным воздухом.

Программа расчета нестационарного теплового режима помещения разработана для условий отопления помещения воздушной и радиаторной системами, а также для гипотетического случая подачи лучистой и (или) конвективной теплоты. Причем лучистая энергия может быть равномерно распределенной по всем или любым указанным внутренним поверхностям. Шаг по времени принят 0,25 часа.

Исходными данными для расчета служат: размеры помещения; количество и расположение наружных ограждающих конструкций, в том числе оконных проемов; конструкция стен и перекрытий с указанием толщин и теплотехнических характеристик слоев; теплотехнические характеристики светоп-розрачных конструкций; коэффициенты излучения поверхностей, обращенных в помещение; подвижность и требуемая в течение рабочего дня темпера-

строительная теплофизика и энергосбережение

/.С

0:00 4:00 8:00 12:00 16:00 20:00 24:00

Рисунок 1. Изменения во времени температуры воздуха (1), на внутренней поверхности потолка (2), внутренней стены (3), пола (4), радиационной (5), результирующей (6), наружной стены (7), и окна (8).

тура внутреннего воздуха; данные об изменении во времени параметров наружной среды; режимы работы систем отопления и способы подачи теплоты.

3. Распределение температуры по сечению ограждающих конструкций.

Наибольшая экономия от прерывистого отопления достигается в помещениях с низкой внутренней теплоустойчивостью [3]. Оценку необходимого увеличения отопительной мощности в рабочее время проследим на примере воздушного отопления рядового на среднем этаже помещения. Наружная стена имеет внутренний слой из ячеистобетонных блоков плотностью 400 кг/м3 и утеплена минеральной ватой снаружи (под штукатурку). Внутренняя теплоустойчивость рассматриваемого помещения характеризуется отношением \ /Л = 1,07 [4]. Время рабочего дня составляет 9 часов (с 9.00 до 18.00), а натопа варьируется в диапазоне от 1 до 6 часов.

Во всех расчетах интенсивность нагрузки на систему отопления подбиралась таким образом, чтобы к началу рабочего дня результирующая температура помещения составляла не менее 20 °С, а ее среднее значение в течение рабочего дня — было равно 20 оС, как показано на рис.1 (изменения температуры результирующей, воздуха, а также на

внутренней поверхности ограждений в течение суток). Перетоп во всех вариантах расчета не предусматривался, ввиду того, что он ведет к резкому сокращению экономии теплоты.

На рис. 2а и 2б приведены распределения температуры по толщине наружной стены в начале и в конце рабочего дня (9 ч и 18 ч соответственно) при температуре наружного воздуха —28оС, с постоянным и прерывистым отоплением разной продолжительности и интенсивности натопа. На рис. 2а видно, что наружное ограждение в его толще к началу рабочего дня не прогрелось до уровня стационарного режима даже при натопе продолжительностью 6 часов. Поэтому в течение рабочего дня необходима дополнительная теплота от системы отопления по сравнению с мощностью системы, работающей в стационарном режиме. И даже к концу рабочего дня (рис. 2б) температурное поле внутри наружной стены не равно стационарному распределению температуры.

Интенсивность подачи теплоты в различные фазы прерывистого отопления можно охарактеризовать отношениями:

/О

' п

N. = О,/О

N = О

натоп натоп

; N б = О /О б;

т раб раб' раб

нераб нераб' нераб '

где Опост — мощность отопления, Вт, при постоянной работе;

О , N — средняя мощность натопа, Вт, и ко-

натоп натоп 1

эффициент требуемого увеличения мощности для натопа перед началом рабочего дня при прерывистом отоплении;

Ораб, N^6 — средняя мощность отопления, Вт, и коэффициент требуемого увеличения мощности для отопления в рабочее время при прерывистом режиме его функционирования; Онераб, N^^6 — средняя мощность отопления, Вт, и коэффициент требуемого увеличения мощности для отопления после рабочего дня до натопа при прерывистом режиме его функционирования.

Значения приведенных выше отношений — коэффициентов мощности, необходимых для поддержания в рабочее время заданной результирующей температуры 20 оС выбранного помещения при расчетной температуре наружного воздуха —28 оС и средней за отопительный период температуре —3,1 оС представлены в таблице. Кроме того, в таблице указаны величины экономии теплоты, достигаемые при отоплении с соответствующим режимом.

Необходимую мощность системы отопления общественных зданий в период натопа можно обеспечить за счет неработающих в ночное время систем вентиляции и горячего водоснабжения. Допол-

строительная теплофизика и энергосбережение

б

\

Минерал! ная вата

Ячеист э-бетонны \ блоки 7/у ь / /4 > 2 <1

Штука урка гипс зперлитов зя

Рисунок 2. Распределения температуры по толщине наружной стены при постоянном отоплении — 1 и при прерывистом отоплении — 2, 3, 4, 5, 6, 7, соответственно с продолжительностью натопа 6, 5, 4, 3, 2, 1 часа, а) в 9 ч , б) в 18 ч.

Параметр При продолжительности натопа, ч

6 5 4 3 2 1

^натоп 1,92/1,94 2,06/2,12 2,18/2,20 2,47/2,61 2,86/3,13 4,23/4,16

Нраб 1,31/1,29 1,41/1,37 1,58/1,57 1,70/1,65 1,87/1,81 2,01/2,00

^нераб 0 0 0 0 0 0

Экономия теплоты, % 3,45/3,46 4,04/4,11 4,82/4,72 5,59/5,71 6,56/6,82 7,34/7,35

Таблица. Коэффициенты мощности при прерывистом отоплении, и значения полученной экономии при температуре наружного воздуха —28 °С(числитель) и —3,1 °С (знаменатель).

строительная теплофизика и энергосбережение

нительная теплота в течение рабочего дня может быть обеспечена значительными тепловыделениями от внутренних источников. По мнению специалистов [5] гарантированные средние за рабочее время внутренние тепловыделения в офисных зданиях составляют от 40 до 90 Вт/м2, что при современных требованиях к тепловой защите зданий составляет не менее 60% от расчетной теплоподачи системой отопления при стационарном режиме. Даже, если эта нагрузка составит всего 30—35% от нагрузки при стационарном отоплении, этого будет достаточно для компенсации теплозатрат на прогрев ограждений по толщине в течение рабочего дня даже в наиболее холодные дни зимы и позволит применить прерывистое отопление для экономии тепловой энергии.

Если теплозащита здания выполнена по нормам, действовавшим до 1994 г., то в редкие наиболее холодные дни от прерывистого отопления можно отказаться, а начинать его с температуры наружного воздуха, при которой практически неизменные в течение года внутренние теплопоступления будут способны восполнить потребность в теплоте на прогрев внутренних слоев наружных ограждающих конструкций. Кроме того, если можно ориентироваться на допускаемую температуру внутренней среды (а не на оптимальную, как принято в приведенном примере), то в конце рабочего дня за счет внутренних тепловыделений результирующая температура составит 24 оС. К началу следующего рабочего дня ограждающая конструкция охладится меньше, и, следовательно, мощность отопления потребуется ниже.

Выводы.

1. Полученные результаты свидетельствуют о том, что экономия теплоты от прерывистого отопления возможна при запасе мощности системы отопления как при натопе, так и в течение рабочего дня.

2. Увеличение мощности натопа перед рабочим днем может осуществляться за счет теплоты, предназначенной на неработающие в это время системы вентиляции и горячего водоснабжения.

3. Увеличение расхода теплоты в помещение в рабочее время или будет получено от гарантированных внутренних теплопоступлений в помещение, или должно быть предусмотрено проектом.

4. Необходимый график работы прерывистого отопления может не корректироваться в течение отопительного сезона при качественном регулировании отпуска тепла на отопление. Экономия тепловой энергии с увеличением температуры наружного воздуха практически не изменяется.

Литература

1. Самарин О.Д. О рациональном режиме начального прогрева помещения. Известия вузов. Строительство. 1997 г. №3., с.83-85

2. Табунщиков Ю.А. Математическое моделирование и оптимизация тепловой эффективности зданий. — М.: АВОК-ПРЕСС, 2002. — 194 с.

3. Асатов P.P. Факторы, влияющие на экономию теплоты при прерывистом отоплении зданий. // В сб. докладов Третьей Международной научно-технической конференции «Теоретические основы теплогазоснабжения и вентиляции». — М.,МГСУ, 2009 г., с. 159-164.

4. Малявина Е.Г., Лобанова Л.Н. Определение характеристик теплоустойчивости ограждающих конструкций зданий. // В сб. трудов НИИСФ «Строительная теплофизика», вып. 4 (XVIII). — М., 1971,с. 28-38.

5. Наумов А.Л. «Оценка и роль теплозащиты общественных зданий». АВОК. 2009 г.№7,с.30-34

Влияние теплового режима наружных ограждающих конструкций на нагрузку системы отопления при прерывистой подаче теплоты

В статье показано, что для достижения экономии теплоты с помощью прерывистого отопления необходимо иметь увеличенную по отношению к постоянно действующему отоплению мощность не только для натопа перед рабочим днем, но и для поддержания заданной температуры в течение рабочего времени. Причем, чем короче предварительный натоп, тем более мощной должна быть система отопления в течение рабочего дня.

Influence of the external enclosing structure heat mode on the heating system load under the interruptive heat supply

by E.G. Malyavina, R.R. Asatov

The article shows, that to enable the heat economy by interruptive heating provision shall be made of an increased power in respect of the permanent heating not only to heat an area before the working day, but also to maintain the design temperature during the working hours. So the shorter is the pre-heating period, the more powerful shall be the heating system during the working day.

Ключевые слова: прерывистое отопление, распределение температуры по сечению ограждающей конструкции, мощность отопления, экономия теплоты.

Key words: interruptive heating, temperature distribution over the enclosing structure section, heating power, heat economy.