Экономия теплоты в зданиях за счет оптимизации воздухообмена

УДК 697.12

Е.Г. Старостин, В.И.Скрябин

ЭКОНОМИЯ ТЕПЛОТЫ В ЗДАНИЯХ ЗА СЧЕТ ОПТИМИЗАЦИИ ВОЗДУХООБМЕНА

Проведены исследования по определению расхода тепла на нагревание поступающего в здание наружного воздуха. При нормировании расхода тепла за отопительный период расчеты проводятся исходя из средней температуры за отопительный период. Такой подход основывается на предположении, что между теплопотерями здания и разностью между внутренней и наружной температурами существует линейная пропорциональность. Распределение расхода тепла и топлива для отопления зданий по месяцам отопительного периода при нормировании проводится также исходя из такого допущения. Анализ температурной зависимости расхода теплоты на нагревание инфильтрирующегося воздуха показывает, что зависимость между теплопотерями здания и перепадом температуры внутреннего и наружного воздуха имеет более сложный вид.

В России на выработку тепловой энергии расходуется около 30% топливно-энергетических ресурсов, что в полтора раза больше, чем на выработку электроэнергии [1]. В последние годы произошло резкое увеличение нормируемых значений сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций зданий исходя из требований второго этапа внедрения СНиП «Строительная теплотехника» и новых нормативных документов зданий со сниженным потреблением тепловой энергии [2, 3, 4, 5]. Отмечается, что дальнейшее снижение расхода тепловой энергии на отопление зданий за счет повышения уровня теплозащитных свойств ограждающих конструкций становится нецелесообразным. В свете этого становится актуальной проблема оптимизации систем воздухообмена зданий [6].

Теплопотребность зданий, наряду с потерями тепла через наружные ограждения, в значительной степени определяется расходом тепловой энергии на нагрев наружного воздуха, поступающего в помещения. Натурные исследования жилых и общественных зданий в г. Якутске показали, что доля расхода тепловой энергии на нагрев наружного воздуха, поступающего в помещения, в общем расходе тепла на отопление здания достигает 30-40% [7]. В зданиях с повышенным уровнем теплозащитных свойств ограждающих конструкций, построенных в последние годы, эта доля значительно увеличилась.

Поэтому в зданиях, построенных как по новым, так и по старым нормативам, поиск решений проблемы уменьшения расхода тепловой энергии связан зачастую именно с оптимизацией воздухообмена в них.

Нормирование расхода топлива и тепловой энергии на всех уровнях планирования и хозяйственной деятельности в Республике Саха (Якутия) до сих пор основывается на утвержденном постановлением СМ ЯАССР № 186 от 22 апреля 1986 года нормах «Нормирование расхода тепла и топлива на отопление и горячее водоснабжение зданий в Якутской АССР». В этом документе при нормировании расхода тепловой энергии расчеты проводятся исходя из средней температуры за отопительный период. Такой подход основывается на предположении, что между теплопотерями здания и разностью между внутренней и наружной температурами существует линейная пропорциональность. Распределение расхода тепла и топлива для отопления зданий по месяцам отопительного периода при нормировании проводится также исходя из такого допущения [8].

Анализ температурной зависимости расхода теплоты на нагревание инфильтрующегося воздуха показывает, что зависимость между теплопотерями здания и перепадом температуры внутреннего и наружного воздуха имеет более сложный вид.

Расход теплоты на нагревание инфильтрующегося воздуха в жилых и общественных зданиях оценивается исходя из нормативного расхода воздуха [3, 9], который должен обеспечиваться параметрами воздухопроницаемости ограждающих конструкций.

Расход энергии на нагревание инфильтрующегося воздуха учитывается через приведенный инфильтрационный коэффициент теплопередачи здания, определяемый по формуле:

Knf = 0 ,2 8cna pv VhPh'k / Asum

m a e ’

где с - удельная теплоемкость воздуха, равная 1 кДж/(кг-°С);

Р - коэффициент снижения объема воздуха в здании, учитывающий наличие внутренних ограждающих конструкций. При отсутствии данных принимать р =0,85;

Vh - отапливаемый объем здания, равный объему, ограниченному внутренними поверхностями наружных ограждений здания, м3;

Pht

- средняя плотность плиточного воздуха за отопительный период, кг/м3 Рд? = 353/[273 + 0,5(tjnf +tsxf)\:

к - коэффициент учета влияния встречного теплового потока в светопрозрачных конструкциях, равный для: стыков панелей стен - 0,7; окон и балконных дверей с тройными раздельными переплетами - 0,7; то же с двойными раздельными переплетами - 0,8; то же со спаренными переплетами - 0,9; то же с одинарными переплетами -1,0;

t.nt - расчетная средняя температура внутреннего воздуха здания,°С;

text - расчетная температура наружного воздуха в холодный период года, °С для всех зданий, кроме производственных зданий, предназначенных для сезонной эксплуатации, принимаемая равной средней температуре наиболее холодной пятидневки обеспеченносью 0.92 по СНиП 23-01-99*.

n - средняя кратность воздухообмена здания за отопительный период, ч-1, рассчитывается по суммарному воздухообмену за счет вентиляции и инфильтрации по формуле:

Па = [

где L - количество приточного воздуха в здание при неорганизованном притоке либо нормируемое значение при механической вентиляции, м3/ч, равное для:

а) жилых зданий, предназначенных гражданам с учетом социальной нормы (с расчетной заселенностью квартиры 20 м2 общей площади и менее на человека) - 3A;

б) других жилых зданий - 0,354 3 ЧА^ но не менее 30 m;

где m - расчетное число жителей в здании;

в) общественных и административных зданий принимают условно для офисов и объектов сервисного обслуживания - 4 At, для учреждений здравоохранения и образования - 5 А,, для спортивных, зрелищных и детских дошкольных учреждений - 6 А ;

At - для жилых зданий - площадь жилых помещений, для общественных зданий - расчетная площадь, определяемая согласно СНиП 31-05 как сумма площадей всех помещений, за исключением коридоров, тамбуров, переходов, лестничных клеток, лифтовых шахт, внутренних открытых лестниц и пандусов, а также помещений, предназначенных для размещения инженерного оборудования и сетей, м2;

n - число часов работы механической вентиляции в течение недели;

168 - число часов в неделе;

От/ - количество инфильтрующегося воздуха в здание через ограждающие конструкции, кг/ч: для жилых зданий

- воздуха, поступающего в лестничные клетки в течение суток отопительного периода, определяемое согласно Г.5; для общественных зданий - воздуха, поступающего через неплотности светопрозрачных конструкций и дверей; допускается принимать для общественных зданий в нерабочее время 0.т=0,5Ъп¥к,

к - коэффициент учета влияния встречного теплового потока в светопрозрачных конструкциях, равный для: стыков панелей стен - 0,7; окон и балконных дверей с тройными раздельными переплетами - 0,7; то же с двойными раздельными переплетами - 0,8; то же со спаренными переплетами - 0,9; то же с одинарными переплетами - 1,0;

п - число часов учета инфильтрации в течение недели, ч, равное 168 для зданий со сбалансированной приточно-вытяжной вентиляцией и (168 - п ) для зданий, в помещениях которых поддерживается подпор воздуха во время действия приточной механической вентиляции;

, Ъу и V - то же, что и в формуле (1).

Количество инфильтрующегося воздуха в лестничную клетку жилого здания через неплотности заполнений проемов следует определять по формуле:

От/ = (Лр / Яа,Р) • (АРр / 10)2/3 +

+ Л^ / Я^а) •

гдеЛр иЛеС- соответственно для лестничной клетки суммарная площадь окон и балконных дверей и входных наружных дверей, м2;

Я _ и Я , - соответственно для лестничной клетки тре-

а.Р а.еа ^ ^

буемое сопротивление воздухопроницанию окон и балконных дверей и входных наружных дверей;

АР„. и АР , - соответственно для лестничной клетки

р еа

расчетная разность давлений наружного и внутреннего воздуха для окон и балконных дверей и входных наружных дверей, определяют по формуле (6) для окон и балконных дверей с заменой в ней величины 0,55 на 0,28 и с вычислением удельного веса по формуле (4) при соответствующей температуре воздуха, Па.

Ар = 0, 5 5И

где И - высота здания (от уровня пола первого этажа до верха вытяжной шахты), м;

Чех, Чш - удельный вес соответственно наружного и внутреннего воздуха, Н/м3, определяемый по формуле:

у = 3 4

г - температура воздуха: внутреннего (для определения уш) - принимается согласно оптимальным параметрам по ГОСТ 12.1.005, ГОСТ 30494 и СанПиН 2.1.2.1002; наружного (для определения у ) - принимается равной

средней температуре наиболее холодной пятидневки обеспеченностью 0,92 по СНиП 23-01;

V - максимальная из средних скоростей ветра по румбам за январь, повторяемость которых составляет 16% и более, принимаемая по таблице 1* СНиП 23-01; для зданий высотой свыше 60 м V следует принимать с учетом коэффициента изменения скорости ветра по высоте (по своду правил).

Расход тепловой энергии на нагревание инфильтрую-щегося воздуха определяется количеством инфильтрую-щегося через неплотности наружных ограждений воздуха [9]

Я = 0.28^ 0/„/с((ш, - г,„)к/, <6>

г

где С.т/- расход инфильтрующегося воздуха через ограждающие конструкции помещения, кг/ч, определяемый по формуле (3); с - удельная теплоемкость воздуха, равная 1 кДж/(кг-°С); гр и г. - расчетные температуры воздуха соответственно в помещении (средняя с учетом повышения ее в зависимости от высоты помещения более 4 м) и наружного воздуха в холодный период года; к - коэффициент учета влияния встречного теплового потока в конструкциях, равный 0.7 - для стыков панелей стен и окон с тройным остеклением, 0.8 - для двойного остекления и балконных дверей в раздельных переплетах и 1.0 - для одинарных окон, окон и балконных дверей со спаренными переплетами и открытых проемов.

= 0.216^ ДФГ / Я +Х л1он (ф, / ФГ7 +

+ 3456^Л34р10-5 + 0.5^!Арг /Лр1, где Л1 и Л2 - площади наружных ограждающих конструкций соответственно световых проемов (окон, балконных дверей, фонарей) и других ограждений, м2; Л3 - площадь щелей, неплотностей и проемов в наружных ограждающих конструкциях, м2; Др и Др1 - расчетная разность между давлениями на наружной и внутренней поверхностях ограждающих конструкций соответственно на расчетном этаже и на уровне пола первого этажа, Па; Я - сопротивление воздухопроницанию, м2-ч-Па/кг; Ои - нормативная воздухопроницаемость наружных ограждающих конструкций, кг/(м2-ч); 1 - длина стыков стеновых панелей, м.

Расчетная разность между давлениями на наружной и внутренней поверхностях каждой ограждающей конструкции Др . определяется по формуле:

АРг =

где И - высота здания от уровня средней планировочной отметки земли до верха карниза, центра вытяжных отверстий фонаря или устья шахты, м; к . - расчетная высота от уровня земли до верха окон, балконных дверей, дверей, ворот, проемов или до оси горизонтальных и середины вертикальных стыков стеновых панелей, м; у и ур - удельный вес наружного воздуха и воздуха в помещении, соответственно определяемый по формуле

7 =

3463 (273 + г у

Н/м; г. - плотность наружного воздуха,

кг/м3; V - скорость ветра, м/с; сеп и сер - аэродинамические коэффициенты для наветренной и подветренной поверхностей ограждений здания соответственно; к1- коэффициент учета изменения скоростного давления ветра в зависимости от высоты здания; р - условно-постоянное давление воздуха в здании, Па.

Таким образом, в расчетах, с одной стороны, предполагается, что количество инфильтрующегося воздуха, определяемое санитарно-гигиеническими условиями, является постоянной в течение отопительного периода величиной. Отсюда следует, что расход тепловой энергии на нагревание инфильтрующегося воздуха линейно пропорционален разности между внутренней и наружной температурами. С учетом этого зависимость расхода теплоты на нагревание инфильтрирующегося воздуха от наружной температуры можно написать в виде:

)=с

353

353

Л

V 273 + г'ехг

273 +1

•('« - 1'ех, ),(9>

1п у

где С - коэффициент, не зависящий от температуры; г -средняя температура наружного воздуха за отопительный период; - температура наружного воздуха; г ш- темпе-

ратура внутреннего воздуха.

С другой стороны, количество инфильтрирующегося воздуха, как видно из формул (2) - (4), является функцией разности между внутренней и наружной температурами. Тогда аналогично формуле (5) для зависимости расхода тепловой энергии на нагревание инфильтрирующегося воздуха от наружной температуры имеем формулу:

( 'З^'З 'З^'З

) = с •

353

353

273 + г,

V 1п ехг г

1п у

Как видно, в данном случае зависимость не является линейной. Разница между результатами расчета по формулам (9) и (10) зависит от величины отклонения среднемесячной температуры наружного воздуха в течение отопительного периода от средней температуры за отопительный период. Республика Саха является регионом, в котором эти отклонения являются максимальными [11]. Динамика среднемесячной температуры за отопительный период для г. Якутска приведена на рис. 1. Сравнение результатов расчета по формулам (9) и (10) показано на рис. 2. Расчеты проведены при предположении, что при температуре наружного воздуха, равной средней температуре наружного воздуха за отопительный период, расход воздуха соответствует нормативу.

Сопоставление данных, приведенных на этих рисунках, показывает, что при температуре наружного воздуха ниже средней температуры за отопительный период (для Якутска -21.2 °С) расход тепла на отопление зданий уве-

личивается по сравнению с нормативными значениями. Предполагается, что такое увеличение должно исключаться уменьшением воздухопроницаемости ограждающих конструкций. Но натурные наблюдения показывают, что расход теплоты на нагревание инфильтрующегося воздуха при таких температурах наружного воздуха резко возрастает. Распределение расходов на отопление по месяцам должно быть пересмотрено с учетом этого.

При более высоких температурах расход тепла несколько ниже нормативов. Это объясняется тем, что при повышении температуры наружного воздуха уменьша-ется количество инфильтрирующего воздуха вследствие уменьшения разности между внутренней и наружной температурами, а значит и разности давления. Нужно заметить, что это уменьшение должно быть скомпенсирова-

т, °с

но за счет организации дополнительного притока воздуха в здание до достижения нормативного расхода инфильтрирующегося воздуха. Поэтому в эти промежутки отопительного периода распределение расходов на отопление по месяцам будет соответствовать действующим нормативам.

Суммирование теплопотерь за отопительный период с учетом такой температурной зависимости показывает, что расход тепловой энергии на отопление зданий увеличивается. Такое увеличивание за счет расхода тепла на нагревание инфильтрующегося воздуха по сравнению с нормативом может составлять до 10%. При нормировании расходов на весь отопительный период и распределения расходов на отопление по месяцам необходимо учитывать эти особенности.

месяцы

Рис. 1. Динамика среднемесячной температуры наружного воздуха за отопительный период в г. Якутске

месяцы

Рис. 2. Распределение расхода тепла и топлива для отопления зданий по месяцам отопительного периода: о - расчет по формуле

Литература

1. Ильичев В.А., Матросов Ю.А., ОсиповГ.Л. Энергоэффективное будущее строительного комплекса России // Бюллетень строительной техники. № 8. 2005. С. 56-61.

2. СНиП II-3-79* «Строительная теплотехника». М.: Госстрой России, 1998.

3. СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий». М.: Госстрой России, 2004.

4. Свод правил СП 23-101 «Проектирование тепловой защиты зданий». М.: Госстрой России, 2004.

5. ГОСТ 30494 «Параметры микроклимата в жилых и общественных зданиях». М.: Госстрой России, 2004.

6. Матросов Ю.А. Новые нормы теплозащиты зданий //

Жилищное строительство. № 6. 2004. С. 7-12.

E.G. Starostin, VI. Skryabin

Heat saving in buildings using air-exchange optimization

Research has been conducted to determine the flow of heat for warming the outside air coming inside the building. The calculation is based on the average temperature of the heating period at rationing of heat for heating period.

This approach is based on the assumption that there is a linear proportion between heat loss of a building and difference of outdoor and internal temperatures. The distribution of heat consumption and fuel for heating a building during the heating seasons within heating standards is also based on the same assumption. According to analysis of temperature dependence of heat consumption for infiltrated air heating, relation between buildings heat loss and temperature drop of internal and outdoor air has more complex form.

7. Матвеева О.И., Степанов А.В., Тимофеев А.М., Старостин Е.Г. Теплопотери типовых зданий г. Якутска // Ресурсы строительного комплекса Республики Саха (Якутия). ЯГИТИ. Якутск, 2001. С. 206-209.

8. Нормирование расхода тепла и топлива на отопление и горячее водоснабжение зданий в Якутской АССР. Якутск: РИО Госкомиздата ЯАССР, 1987.

9. СНиП 2.04.05-91. Отопление, вентиляция и кондиционирование. М.: Госстрой России, 1992.

10. СНиП 41-01-2003 Отопление, вентиляция и кондиционирование. М.: Госстрой России, 2004.

11. СНиП 23-01-99* Строительная климатология. М.: Госстрой России, 2003.