Концепция повышения энергетической эффективности многоквартирных жилых домов за счёт утилизации вторичных энергоресурсов

УДК 620.97

Концепция повышения энергетической эффективности многоквартирных жилых домов за счёт утилизации вторичных энергоресурсов

Г. П. Васильев,

доктор технических наук, научный руководитель группы инновационных компаний «ИНСОЛАР»

А. Н. Дмитриев,

Российский экономический университет им. Г. В. Плеханова, доктор технических наук, профессор

В. Ф. Горнов,

ОАО «Инсолар-Инвест», директор проектного отделения

Н. А. Тимофеев,

ОАО «Инсолар-Инвест», ведущий инженер

М. В. Колесова,

ОАО «Инсолар-Инвест», ведущий инженер-эколог

Статья посвящена исследованию энергоэффективности процессов утилизации вторичных энергоресурсов. Представлены результаты расчётов для разработки технических решений по применению двухступенчатой утилизации вторичных энергоресурсов, предусматривающей рекуперацию и утилизацию низкопотенциальной теплоты вытяжного воздуха системы вентиляции и канализационных стоков жилого дома на квартирном и общедомовом уровне.

Ключевые слова: система утилизации, вентиляционные выбросы, вторичные энергоресурсы, энергетическая эффективность, теплонасосная установка, низкопотенциальное тепло.

Вместе с вентиляционными выбросами и канали- Теперь на первый план выходят новейшие техно-

зационными стоками зданий «выбрасывается» и рас- логии, технические решения и оборудование «актив-

сеивается в окружающей среде более 70 % энергии, ного» энергосбережения. Это, прежде всего, системы

расходуемой на отопление, горячее водоснабжение и и устройства, рекуперирующие и утилизирующие

вентиляцию зданий. Снижение затрат энергии в сбросное тепло вентвыбросов, канализационных сто-

жилищно-коммунальном секторе и повышение энер- ков и других вторичных энергоресурсов. Именно в

гетической эффективности жилого фонда страны этих направлениях сосредоточен наибольший резерв

являются сегодня стратегическими задачами. экономии энергии. Однако в России реальный опыт

Жилищный фонд многоквартирных жилых применения подобных систем сегодня отсутствует. домов городской застройки России составляет В ОАО «Инсолар-инвест» разработана концепция

около 2300 млн квадратных метров и потребляет повышения энергетической эффективности жилых

около 40 % производимой в стране энергии. зданий за счёт утилизации вторичных энергетиче-

Решение проблемы повышения его энергетической ских ресурсов. В основу концепции положена двух-

эффективности только за счёт увеличения тепло- ступенчатая утилизация вторичных энергоресурсов,

защитных свойств наружных ограждающих кон- которая предусматривает рекуперацию и утилиза-

струкций зданий сегодня уже неэффективно, так цию низкопотенциальной теплоты вытяжного возду-

как этот ресурс экономии энергии в жилищном ха системы вентиляции и канализационных стоков

строительстве крупных городов, таких как Москва, жилого дома - вторичных энергоресурсов сначала на

Санкт-Петербург и пр., уже практически исчерпан. квартирном уровне, а затем на общедомовом. Так, например, в структуре годового теплопотреб- Наиболее значимыми ресурсами, которые могут

ления типового жилого 17-этажного дома в клима- быть использованы вторично (рекуперированы или

тических условиях Москвы трансмиссионные теп- утилизированы), являются низкопотенциальное

лопотери (потери тепла через наружные ограж- тепло удаляемого из помещений вытяжного возду-

дающие конструкции) составляют примерно одну ха, ассимилирующего тепловыделения от людей,

четверть от общего теплопотребления здания. освещения, бытовых приборов и технологического

Оставшиеся три четверти приходятся на вентиля- оборудования, и тепло канализационных стоков

цию и горячее водоснабжение. здания.

По экспериментальным данным [1], средняя температура вытяжного воздуха систем вентиляции жилых домов в 90 % времени отопительного сезона находится выше 18 °С, а в 55 % - в пределах 18-22 °С. Средний за отопительный период температурный потенциал вытяжного воздуха системы вентиляции составляет 21,6 °С. При этом существенной частью вторичного энергетического ресурса является скрытая теплота конденсации водяного пара в вытяжном воздухе вентиляционных выбросов жилого здания, среднее за отопительный сезон значение которой в инженерных расчётах может быть принято равным 15 кДж/кг сухого воздуха или 0,0075 кВт-ч/кг сухого воздуха.

Температурный потенциал канализационных стоков жилого дома, по данным [2], колеблется в интервале 25-40 °С, причём, верхние значения интервала соответствуют квартирному уровню водо-отведения в период пикового водоразбора, а нижние значения - общедомовому уровню.

Квартирная система рекуперации и утилизации вторичных энергоресурсов предусматривает рекуперацию сбросного тепла вытяжного воздуха для подогрева поступающего свежего приточного воздуха в приточно-вытяжном стеновом устройстве (клапане) с последующей утилизацией тепла вытяжного воздуха на выходе из квартиры в автоматизированной аккумуляционной теплонасосной установке горячего водоснабжения. Эта схема полностью отвечает технологическим и техническим решениям, широко применяемым в отечественном жилищном строительстве, и может применяться как во вновь возводимых зданиях, так и при реконструкции. Важным преимуществом использования приточно-вытяжных стеновых клапанов является отсутствие протяжённых приточных каналов, существенно влияющих на ионный состав свежего воздуха, подаваемого в квартиры.

На выходе из квартиры вытяжной воздух охлаждается автоматизированной аккумуляционной тепло-насосной установкой горячего водоснабжения, а извлечённое из него низкопотенциальное тепло утилизируется для приготовления горячей воды. После автоматизированной аккумуляционной теплонасосной установки вытяжной воздух отправляется в общедомовую систему вентиляции, на выходе из которой утилизируется оставшееся в нём низкопотенциальное тепло. В канализационную сеть квартиры встраивается устройство для рекуперации сбросного тепла «серых» канализационных стоков квартиры. Дальнейшая «доутилизация» тепла канализационных стоков осуществляется на общедомовом уровне.

Схема размещения в квартире оборудования для рекуперации и утилизации вторичных энергоресурсов приведена на рис. 1, а принципиальная схема тепловых потоков квартирной системы рекуперации и утилизации вторичных энергоресурсов - на рис. 2.

Общедомовая система утилизации вторичных энергоресурсов представляет собой вытяжную общедомовую вентиляционную систему, утилизирующую теплоту вытяжного воздуха на общедомовом уровне для приготовления горячей воды, состоящую из

УтитЗДтф тАт^^Кшй АЗД ПйрПфШЙ

Рис. 1. Схема размещения в квартире оборудования для рекуперации и утилизации вторичнык энергоресурсов

ощгсся «одха

\

I_^_I

Рис. 2. Принципиальная схема тепловых потоков квартирной системыIрекуперации и утилизации вторичных энергоресурсов

блока-утилизатора теплоты вытяжного воздуха, теп-лонасосного блока, блока аккумуляции высокопотенциального тепла и блока сезонного аккумулирования утилизированной низкопотенциальной теплоты вытяжного воздуха с использованием теплоаккуму-ляционных свойств грунта, дополненную устройством для утилизации тепла сточных вод также на общедомовом уровне. Система предусматривает утилизацию тепла вытяжного воздуха системы вентиляции на общедомовом уровне с помощью расположенного на «тёплом чердаке» или техническом этаже блока-утилизатора с последующим использованием утилизированного тепла в теплонасосном блоке для приготовления горячей воды. При этом избытки утилизированного тепла вентвыбросов аккумулируются в термоскважинах блока сезонного аккумулирования. На выходе из дома в канализационную сеть встраивается устройство для утилизации сбросного тепла канализационных стоков дома, обеспечивающее охлаждение стоков и использование извлечённого низкопотенциального тепла с помощью тепловых насосов для приготовления горячей воды.

Схема размещения в многоквартирном доме оборудования для рекуперации и утилизации приведена на рис. 3, а принципиальная схема тепловых пото-

ЭНЕРГОБЕЗОПАСНОСТЪ И ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ I wmv.endi.ru

№ 3 (51) 2013, май-июнь

ков общедомовой системы рекуперации и утилизации вторичных энергоресурсов - на рис. 4 [3, 9].

Проиллюстрируем эффективность предлагаемой концепции примером теплового баланса 17-этажного трёхсекционного жилого дома типовой серии П44, принятого к производству и строительству ОАО «ДСК-1» в городе Москве, обладающего проектными показателями, представленными в табл. 1.

Рис. 3. Схема размещения оборудования для рекуперации и утилизации вторичньх энергоресурсов

Таблица 1 Показатели типового 17-этажного трёхсекционного жилого дома типовой серии П44

Наименование показателей Величина

Площадь наружных стен, м2 11172

В том числе остекления 1713

Площадь пола одного этажа, м2 987

Отапливаемый объём, м3 44844

Отапливаемая общая площадь, м2 11111

Количество квартир 203

Количество жителей 609

В табл. 2 приведены среднемесячные показатели температуры наружного воздуха в Москве [4], использованные при проведении расчётов.

Таблица 2

Среднемесячные температуры наружного воздуха в Москве

X XI XII I II III IV V VI VII VIII IX

5,2 -1,1 -5,6 -7,8 -7,1 -1,3 6,4 13,0 16,9 18,7 16,8 11,1

По данным о ходе среднемесячных температур наружного воздуха были рассчитаны средние по месяцам удельные (приведённые к площади квартир) тепловые нагрузки рассматриваемого дома, которые представлены на рис. 5. К тепловой нагрузке системы вентиляции добавлены бытовые тепловыделения в размере 9 Вт/м2 площади квартир [4, 7]. Нагрузка горячего водоснабжения усреднена по времени суток.

При построении диаграммы за начало отсчёта принят октябрь - первый месяц отопительного периода. Диаграмма построена с накоплением значений. Суммарное удельное энергопотребление жилого дома без утилизации и рекуперации вторичных энергетических ресурсов (базовый вариант) составляет 249 кВт • ч/м2 площади квартир в год. В этой цифре на бытовые тепловыделения уменьшена тепловая нагрузка системы вентиляции.

Рис. 4. Принципиальная схема тепловых потоков общедомовой системы рекуперации и утилизации вторичньхс энергоресурсов в многоквартирном доме

Рис. 5. Средние по месяцам удельные тепловые нагрузки 17-этажного трёхсекционного жилого дома типовой серии П44 без утилизации и рекуперации вторичньк энергоресурсов

На рис. 6 представлены средние по месяцам удельные (приведённые к площади квартир) тепловые нагрузки 17-этажного трёхсекционного жилого дома типовой серии П44 без рекуперации, но с утилизацией 50 % сбросного тепла вентиляционных выбросов. Утилизация низкопотенциального тепла вентвыбросов осуществляется с помощью теплона-сосного оборудования, предназначенного для приготовления горячей воды. При этом теплонасосная система горячего водоснабжения предусматривает аккумулирование горячей воды в баках-аккумуляторах.

Подобная конфигурация теплонасосной системы полностью соответствует разработанной концепции повышения энергетической эффективности многоквартирных жилых домов за счёт рекуперации и утилизации вторичных энергоресурсов. В этом варианте суммарное удельное энергопотребление жилого дома без рекуперации, но с утилизацией для приготовления горячей воды 50 % сбросного тепла вент-выбросов, составляет уже 166 кВт-ч/м2 площади квартир в год. При этом расчётная удельная тепловая мощность установленного теплонасосного оборудования в этом варианте составляет 32,6 Вт/ м2 площади квартир [3, 8].

ЗОгО  Теплоия нагрузка

S.0

6.0 I

¡3,0 2Д 0,0

X XI XII 1 11 111 IV V VI VII VIII IX

Месяцы

Рис. 6. Средние по месяцам удельные (приведённые к площади квартир) тепловы/е нагрузки 17-этажного трёхсекционного жилого дома типовой серии П44 без рекуперации, но с утилизацией 50 % сбросного тепла вентиляционных выбросов

На рис. 7 представлены средние по месяцам удельные (приведённые к площади квартир) тепловые нагрузки того же дома серии П44 с 40 % рекуперацией и с последующей 50 %-ной утилизацией сбросного тепла вентиляционных выбросов. Утилизация низкопотенциального тепла вентвыбро-сов осуществляется с помощью теплонасосного оборудования по описанной выше схеме. В этом варианте суммарное удельное энергопотребление жилого дома с 40 %-ной рекуперацией и с последующей утилизацией для приготовления горячей воды 50 % сбросного тепла вентвыбросов составляет уже 156 кВт-ч/м2 площади квартир в год. При этом расчётная удельная тепловая мощность установленного теплонасосного оборудования в этом варианте составляет 16 Вт/м2 площади квартир [5].

наг PVJK» горячего ммвщммая ТС? м снабжения. счет SÍBÉ-ой мектнричвс*:« мощное 1U

уствиовяеннето

St/KÉ.W борудоваиия, к&т

1

ю.о I

Бт/кв.м

8,0 ^^^Г Щ

бгО Ж

ÍJ0

VI

0,0

X XF XII I II III IV V Vi VII VIH IX месяцы

Рис. 7. Средние по месяцам удельные (приведенные

к площади квартир) тепловые нагрузки 17-этажного трёхсекционного жилого дома типовой серии П44 с 40 %-ной рекуперацией и с последующей утилизацией 50 % сбросного тепла вентиляционный выбросов

Таким образом, только в результате 40 %-ной рекуперации и 50 %-ной утилизации для нужд горячего водоснабжения сбросного тепла вентвыбро-сов жилого дома нам удалось снизить удельное энергопотребление жилого дома с 249 кВт-ч до 156 кВт-ч на квадратный метр площади квартир в год. В итоге удельное энергопотребление дома снижено на 37 %. Это весьма близко к показателю снижения удельного потребления энергии, установленному в размере 40 %, который экономика страны должна обеспечить к 2020 году в соответствии с требованиями Федерального закона № 261 «Об энергосбережении...» [6].

Здесь необходимо отметить, что в этих вариантах мы не учитывали рекуперации канализационных стоков дома и повышение теплозащитных качеств его ограждающих конструкций, за счёт которых может быть сэкономлено ещё 50-60 кВт-ч/м2 в год. Таким образом, при реализации разрабатываемой концепции утилизации вторичных энергоресурсов при соответствующем повышении теплозащиты наружных ограждающих конструкций можно в многоэтажных (более 12 этажей) жилых домах снизить удельное потребление энергетических ресурсов до 100 кВт-ч/м2 площади квартир в год.

Важной особенностью разработанной концепции является тот факт, что последовательные рекуперация и утилизация сбросного тепла вентвыбросов жилого дома приводят к повышению эффективности использования установленной тепловой мощности теплонасосного оборудования. Так, в варианте без рекуперации, но с 50 %-ной утилизацией тепла вент-выбросов расчётная тепловая мощность требуемого теплонасосного оборудования составила 32,6 Вт/м2 площади квартир. При этом количество часов использования этой мощности в году составило 3655. В то же время, при 40%-ной рекуперации и последующей 50 %-ной утилизации вентвыбросов для нужд горячего водоснабжения расчётная тепловая мощность требуемого теплонасосного оборудования снизилась до 16 Вт/м2 площади квартир, а количе-

ЭНЕРГОБЕЗОПАСНОСТЬ И ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ / wmv.endi.ru

№ 3 (51) 2013, май-июнь

шнЕРШвштурснтБЕШШЕтишшэнЕРШявФФЕшашшшЬ 11

ство часов использования этой мощности в году составило уже 5590 [7].

В итоге расчётная тепловая мощность теплона-сосного оборудования снизилась на 50 %, а «загрузка» оборудовании в годовом цикле увеличилась на 35 %. Это очень существенные показатели, в значительной мере определяющие технико-экономические показатели применения нового инженерного оборудования, рекуперирующего и утилизирующего вторичные энергетические ресурсы в многоквартирном доме. Фактически стоимость теплона-

сосного оборудования может быть уменьшена в два раза, а срок его окупаемости снижен практически на 40 %.

Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки России ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы» по Государственному контракту № 16.526.11.6014 от 10 мая 2012 г.

Литература

1. СНиП 23-01-99*. Строительная климатология.

2. Васильев Г. П., Тимофеев Н. А. Энергетический потенциал вентиляционных выбросов жилых зданий в Москве // АВОК. - 2010. - № 1. - С. 36-39.

3. Ватин Н. И., Самопляс Т. В. Системы вентиляции жилых помещений многоквартирных домов. - СПб.: СПбГПУ, 2004. - 66 с.

4. ОАО «Акционерная компания ИНСОЛАР». Научно-технический отчёт по теме «Создание новых технических средств утилизации низкопотенциального тепла канализационных стоков». Этап 1. УДК 620.9, 697. № госрегистрации 0120.810314. Инв. № 9/09. Государственный контракт № 02.516.11.6175 от 11 июня 2009 г. Москва, 2009.

5. Ливчак И. Ф. Регулируемая вентиляция жилых многоквартирных зданий [Электронный ресурс]. Код доступа: www.abok.ru.

6. ТР АВОК-4-2004 «Технические рекомендации по организации воздухообмена в квартирах многоэтажного жилого дома». - М., 2008.

7. Табунщиков Ю. А., Ливчак В. И. СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий» // АВОК. - 2004.- № 1.

8. Ратников А. А. Автономные системы канализации. Теория и практика. - М.: АВОК-пресс, 2008.

9. Васильев Г. П. Использование низкопотенциальной тепловой энергии грунта поверхностных слоев земли для теплохладоснабжения здания // Теплоэнергетика. - 1994. - № 2. - С. 31-35.

The conception to increase the power efficiency of apartment buildings by utilization of secondary energy resources

G. P. Vasiliev,

INSOLAR innovative companies, scientific director, D. T. S.

A. N. Dmitriev,

Plekhanov Russian University of Economics, D. T. S., professor

V. F. Gornov,

"Insolar-Invest", Department of design, director

N. A. Timofeev,

"Insolar-Invest", chief engineer

M. V. Kolesova,

"Insolar-Invest", chief environmental engineer

This paper is dedicated to the study of the energy efficiency of secondary energy resources utilization. We present the results of numerical calculations carried out in Insolar-Invest company in developing technical solutions to implement a two-tier secondary energy resources utilization, recovery and utilization of low heat of exhaust air ventilation and sewage of apartment building for flat and common housing levels.

Keywords: utilization, vent emission, secondary energy resources, energy efficiency, heat pump installation, low potential heat.