Мероприятия по энергосбережению на объектах ЖКХ можно подразделить на мероприятия по экономии топлива котельным оборудованием, по сбережению тепловой энергии при транспортировке, распределении и у потребителей. В данном задачнике будет рассмотрен круг вопросов, связанных с энергосбережением у потребителей тепловой энергии. Потребителями тепловой энергии являются системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, системы горячего водоснабжения жи­лых, общественных и административно-бытовых зданий.

Напомним некоторые положения составления балансов помещений и расчета процессов об­работки влажного воздуха. Расчет расходов воды и тепловой энергии

I. Суточный расход горячей воды (&гвс.) и расход горячей воды за сутки наибольшего водопо — требления (Снв гвс) (кг/ сутки).

<3гвс.= £(Сгвс. нх^),

Где Сгвсн — норма расхода горячей воды одним потребителем в средние сутки (кг/сут. потребитель), N- количество потребителей воды в здании.

^нв. гвс~^(^нв. гвс. нх^

Где Снвгвсн— норма расхода горячей воды одним потребителем в сутки наибольшего водопотребления (кг/сут. потребитель), N — количество потребителей воды в здании. Суммирование проводится по всем видам потребителей, расположенных в одном здании. Нормы водопотребления берутся из [9].

II. Максимальный расчетный расход горячей в системе горячего водоснабжения. Максимальный расчетный расход горячей воды в кг/ч в системе горячего водоснабжения:

6макс. гвс~Кчх2(6нв. гвс. нх^/24,

Кч — коэффициент часовой неравномерности потребления воды, учитывающий неравномерность по­требления воды по часам суток. Кч зависит от числа жителей в населенном пункте и колеблется, как правило, в диапазоне 2,4^3.

III. Расчет среднечасового расхода тепла за сутки наибольшего водопотребления Огвс. ср и максимального часового расхода тепла на горячее водоснабжение Огвс. макс (ккал/ч).

Ога(,ср=1,2хЕ( Снв. гвс. нХОДх(/Тв-и/24,

Где tse — температура горячей воды, tm — температура холодной воды, подаваемой в систему горячего водоснабжения. Расчетные температуры в системе горячего водоснабжения — 60/5 0С.

Огвс. макс.~ Огвс. срхКч ккал/ч.

Расчет годового расхода тепла на ГВС Огвсгод. (ккал/год).

Огвс. год.~ Огвс. срхПо+0,8х дгвс. срх(8400-Ло)х )х(^хвл)/ (^хвз),

Где по — продолжительность отопительного периода в часах (п0~20тх24, Z0-r — продолжительность отопи­тельного периода в сутках по [8], /хвл -температура холодной воды летом, принимаемая +15 0С, 4вз — температура холодной воды зимой, принимаемая +5 0С.

IV. Расчет максимального часового расхода тепла на отопление Qa (ккал/ч). Оо^х^в-дхЦдхк,

Где до — удельная отопительная характеристика здания (ккал/ч град м3), tB — расчетная температура воздуха внутри помещения [5], U — расчетная температура наружного воздуха для систем отопления [5,8], V^ — строительный объем здания, к- коэффициент, учитывающий отличие расчетной температу­ры от температуры при которой приведены удельные отопительные характеристики. Максимальный расход тепловой энергии за год (Гкал/год):

Qо. год= Оох[^н. ср)/ ^в-«]хпо/106,

Где ^.ср — средняя температура наружного воздуха за отопительный период [8].

Расчетный расход тепла (ккал/ч) на отопление при температурах наружного воздуха, отличаю­щихся от расчетных

Q ~ Оох^в-и/ &-«], где — температура наружного воздуха (средняя за месяц, текущая и т. д.).

V. Расчет максимального часового расхода тепла на вентиляцию (Qв в ккал/ч) и годового расхода тепла на вентиляцию (Qв. год в Гкал/год). .

Аналогично расчету расходов тепла на отопление вычисляют:

Qв~qвХ(tв-tн)хVздХK, ,

Где qв — удельная вентиляционная характеристика здания (ккал/ч град м3).

Qо. год= QоХZв[(tв-tн. ср)/ ^в-д]хпо/106,

Где, ZB~n/24. n — число часов работы вентиляции в сутки.

Тепловой баланс помещения

Жилые помещения в холодный период года потребляют теплоту для компенсации тепловых потерь 1 ограждения (Q^p) и нагрев инфильтрующего воздуха (Q^). В тоже время в помещение поступает теплота, е ляемая техникой ^обор), приборами освещения (Q^) и отопительной системой (Q0). Поддержание фиксир^

Ного значения температуры воздуха внутри здания возможно только в тех случаях, когда суммарные теплопо (Q0|-p+ Оинф) будут компенсироваться теплопоступлениями (Q^.+Qra^+Qo). Тепловой баланс помещения:

^Зогр+Оинф—^бор. +Qoeв

Тепловая нагрузка отопительной системы (без учета теплопоступления от людей):

Qo=Qoгp+Qинф-CQoбop. +QoeвJ■ Расчет теплопотерь через наружные ограждения (стены, окна, двери, подвальные помещения).

Qorr=A-t. -1 н >(i+Ze>-R •

R

2

Нии

Где А — расчетная площадь наружного ограждения (м ), tB — расчетная внутренняя температура воздуха в пом

(0С), tH — расчетная наружная температура воздуха (для г. Москвы tH =-260С), ^в- коэффициент ориент

2o

Здания в пространстве, n — коэффициент ограждающей конструкции, R — термическое сопротивление (м — С Термическое сопротивление равно

1 5 1

R =—+1+—■

А вн а н

2o

Где авн — внутренний коэффициент теплоотдачи (Вт/(м — С)), 5- толщина ограждающей конструкции (м), Х — і фициент теплопроводности (Вт/(м-0С)), аН- наружный коэффициент теплоотдачи (Вт/(м2 — 0С)).

Расчет расхода теплоты на нагревание инфильтрующего воздуха в жилом помещении при естестве вытяжной вентиляции, не компенсируемый подогретым приточным воздухом.

Qинф = 028-L-Р-с-(tВ -1Н)-K-F,

2 3 3

Где L — расход удаляемого воздуха на 1м, (принимают L= 3 (м /ч)); р — плотность воздуха, (кг/м ); С — удельна? лоемкость воздуха; F-жилая площадь помещения (м2), K — коэффициент учета влияния встречного теплового ка конструкции, (зависит от вида переплетов окон, дверей; их количества (см. в табл. 4.1).

Таблица 4.1

Зависимость коэффициента учета влияния встречного теплового потока конструкции от вида перепл

Ния.

Тип окн	Вид переплетения	Коэффицие
1	Двойное остекление из деревянных неспаренных переплетов	0,8
2	Двойное остекление из деревянных спаренных переплетов	0,7
3	Одинарное остекление из деревянных переплетов	1

Расчет тепловой мощности, рассеиваемой осветительными приборами.

Qggb = N ПРИБОРА a,

Где Nnpi/іюрд — суммарная мощность осветительных приборов в помещении, (Вт), a — коэффициент, учитывающий арматуру.

Таблица 4.2

Зависимость коэффициента, учитывающего армату	Ру, от вида лампы.
Вид лампы	Коэффициент a
Люминесцентные	Открытые	0,9
Закрытые	0,6
Накаливания	Открытые	1
Закрытые	0,7

Тепловыделения от оборудования.

Q

ОБО

0.3- N-n

Где N — потребляемая мощность оборудования по паспорту, (кВт), n — количество единиц техники.

Аналитический расчет состояния и процессов обработки влажного воздуха

При решении задач энергосбережения в системах вентиляции и кондиционирования необходимо рассчитывать изменение состояния влажного воздуха. В инженерной практике это делается с помо­щью H, d — диаграмм. При использовании компьютеров расчеты удобней вести, используя исходные уравнения и зависимости, на основе которых построены диаграммы. Некоторые из них приведены ни­же.

4054 236+t

Зависимость давления насыщенного водяного пара, МПа, над поверхностью жидкости от темпе­ратуры может быть представлена в виде:

9.77

Ps = е

Зависимость влагосодержания от атмосферного давления ратм, парциального давления пара ps при температуре воздуха и его относительной влажности ф.

D == 0,622-

Рф

Где ф = Рп/PsCt).

Зависимость энтальпии влажного воздуха от его влагосодержания и температуры, кДж/кг сухого воздуха

H = CBt + d (r0 + Cnt),

Где Св и Сп — удельные средние теплоемкости сухого воздуха и пара в интервале рабочих температур, характерном для систем отопления (СО), вентиляции (СВ)и кондиционирования воздуха (СКВ); r0 — удельная теплота испарения воды в окрестности температуры 0 °С.

Зависимость парциального давления пара от влагосодержания а:

= d

Рп Ратм

0,622 + d

Плотность влажного воздуха

1 + d

Атм

Р =

RnT 0,622 + d

Примеры решения задач

Пример 4.1.

Условие

В системе кондиционирования общественного здания (рис. 4.1) воздух окружающей среды с температурой ^=-10 0С и относительной влажностью фн =40% поступает в камеру смешения, где сме­шивается с частью вытяжного воздуха. Пройдя термовлажностную обработку в центральном конди­ционере 2, воздух поступает в обслуживаемое помещение 3 с параметрами t2 =20 0С и ф2=49%. Тем­пературу и относительную влажность воздуха на выходе из цеха принять соответственно равными t3=23 °С и ф3=44%. Расход приточного воздуха считать равным G0=12,44 кг/с. Степень рециркуляции ар=0,51.

T3 Фз

Ф2

Ti Фі

Постройте процесс термовлажностной обработки воздуха в системе кондиционирования в H, d- диаграмме. Определите, какую тепловую мощность можно сэкономить при применении рециркуляции в схеме кондиционирования воздуха по сравнению с прямоточной схемой.

ApGo

Tc	• W T2

ФС

Gi

Обслуживаемое помещение

Камера смешения

Рис 4.1. Схема кондиционирования общественного здания.

Решение.

Рф

Для решения задачи можно использовать два метода: аналитический с применением формул, описывающих изменение состояния влажного воздуха, и графо-аналитический с применени­ем Н-d диаграммы. Вначале рассмотрим второй из них.

1. Наносим на диаграмму (рис. 4.2) точки 1,2 и 3, соответствующие параметрам наружного, приточно­го и вытяжного воздуха. Положение этих точек определяется по пересечению соответствующих изо-

Кондиционер

Терм и линий постоянной относительной влажности. По диаграмме находим энтальпии Н1=8,5 кДж/кг с. в., Н2=39 кДж/кг с. в, Н3=49 кДж/кг с. в., влагосодержания di=0,7 г/кг с. в., d2=7,5 г/кг с. в., d3=10,3 г/кг с. в.

2. Наносим на диаграмму точку «О» — конечную точку процесса адиабатного увлажнения воздуха в камере орошения. Положение точки «О» определяется пересечением линии постоянного влагосодер­жания d2 и линии относительной влажности, соответствующей 95%. Далее задача разбивается на два этапа: построение процессов влажного воздуха для системы с рециркуляцией и прямоточной системы. Энтальпию и влагосодержание воздуха после камеры орошения определяем по диаграмме: Н0=29 кдж/кг с. в., d^7,6 г/кг с. в.

3. Определяем параметры воздуха после смешения двух потоков (свежего наружного с параметрами «1» и рециркулирующего с параметрами «3») Точка «С» на диаграмме находится, как точка пересече­ния отрезка «1-3» и изоэнтальпы Нс (или линии dc=const). Численное значение энтальпии Нс находится из уравнений теплового и материального баланса:

G0 = G1 + G3 , G1 = (1 — ар )G0 G3 =ар G0

G0Н с = G1H1 + G3 Н 3

G0 dc = G1d1 + G3 d3

В приведенных уравнениях G — массовый расход воздуха (кг/с), Н — энтальпия (кДж/кг). Эн­тальпия и влагосодержание перед подогревателем первой ступени согласно приведенным уравнени­ям баланса будут:

Н с = aH 3 +(1 — а р Ні =0,51 49+(1-0,51) (-8,5)=20,8 кдж/кг с. в. d с = ad3 +(1 — а р )dj = 0,51 0,7+(1-0,51) 10,3=5,4 г/кг с. в.

4. Находим положение точки «П1» (параметры воздуха после подогревателя первой ступени конди­ционера). Положение точки «П1» на диаграмме находится по пересечению линии d^const и изоэн­тальпы Но. Параметры воздуха после подогревателя первой ступени определяются по положению на диаграмме точки «П1», они равны tm=27 0С, НП1=Нс=29,2 кдж/кг с. в.

5. Для прямоточной системы положение точки «П1» находится по пересечению линий постоянной энтальпии Нс и постоянного влагосодержания d1.

6. На диаграмме в итоге нанесено следующее:

— смешение двух потоков 1-С, 3-С;

— подогрев воздуха в воздухоподогревателе 1-й ступени 1-П1 (прямоточная система) и С-П1 (система с рециркуляцией);

— адиабатное увлажнение в камере орошения П1-О;

— подогрев воздуха в воздухоподогревателе 2-й ступени О-2;

— политропный процесс нагрева и увлажнения воздуха в обслуживаемом помещении.

7. Рассчитываем энергосберегающий эффект от применения рециркуляции. Затраты тепловой мощности в прямоточной системе:

Опр=(Н0-Н1)+(Н2-Н0)=Н2-Н| Затраты тепловой мощности в системе с рециркуляцией воздуха:

Ор=(Н0-Нс) + (Н2-Н0) = Н2-Нс

Экономия тепловой мощности:

AQ= Qnp — 0р=Нс-Н1=20,8-(-8,5)=29,3 кДж/кг с. в.

Аналитический расчет

1. Рассчитываем энтальпию влажного воздуха (параметры воздуха 1 и 3) по формуле

H = CBt + d (r0 + Cnt )н1=-8,4 кДж/кг с. в., Н3=49,5 кДж/кг с. в.

2. Рассчитываем энтальпию воздуха после смешения:

Нс = aH3 +(1 — а)Н1 =0,51 49,5-(1-0,51) 8,4=21,1 кдж/кг с. в.

3. Экономия тепловой мощности:

AQ= Qпp — Qp=Hc-Н1=21,1-(-8,4)=29,5 кДж/кг с. в.

Пример 4.2

Условие

Оцените энергосберегающий эффект от применения рекуперативного теплообменника в системе общеобменной вентиляции полагая, что в обслуживаемом помещении присутствуют внутренние теп­ловыделения общей мощностью, равной Q=70 кВт. Мощность тепловых потерь через ограждающие конструкции Qm-,^50 кВт. Массовые расходы приточного G^ и выбрасываемого Gy воздуха принять равными Gп=Gy=G=2 кг/с. Влагосодержание наружного воздуха равно dн1=3 г/кг с. в. В предварительном подогревателе воздух нагревается до? н1=5 0С. Температура приточного воздуха ti=20 0С. Эффектив­ность теплообменника утилизатора є=0,6. Схема вентиляции представлена на рис. 4.3.

55 50 45 40 35 30 О 25 о Га~ £ 20 к га о. £ 15 5 ф Н 10 5 0 -5 -10 -15

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 D г/кг с. в. Рис. 4.2 Изменение состояния влажного воздуха в системе кондиционирования общественного здания.

6

Рис. 4.3. Принципиальная схема системы вентиляции с теплообменником-утилизатором. 1 — предварительный подогреватель (калорифер), 2 — рекуперативный теплообменник, 3 — подогреватель (калорифер), 4 — приточный вентилятор, 5 — вентилируемое помещение,

Z* q{

Решение

Уравнения тепловых балансов для теплообменника-утилизатора, вентилируемого помещения и системы в целом будут:

QTy = G(Hн2 — НН1 ) = G(ну1 — Ну2)

G(Hп — Hу1) + Q — Qn0T = 0 — G(Hу2 — Hн) + ^ Q + AQ = 0

Где EQ=Q1+Q2 — суммарная мощность, подводимая к воздуху, А0=0-0п0т — избыточная тепловая мощ­ность в вентилируемом помещении. Из уравнения теплового баланса системы следует, что затраты тепловой мощности по обогреву воздуха в системе вентиляции с теплообменником утилизатором рав­ны

ZQy = g(hу2 — Hн)- AQ

Для прямоточной системы общеобменной вентиляции, если принять Ну2=Ну1, затраты тепловой мощности по обогреву воздуха:

ZQ=фу! — Нн )-AQ

Энергосберегающий эффект от применения теплообменника-утилизатора в абсолютном исчис­лении (экономия тепловой мощности, подводимой от внешнего источника теплоснабжения) AQ3 будет

Z Q3 =Z Q — Z Qy = g(h у1 — Ну2)=AQтy

С учетом эффективности теплообменника утилизатора є = у2 у1

Н у1 — Н н1

Z Q? = G є(ну1 — Нн1)

Для ответа на поставленный вопрос необходимо рассчитать энтальпии влажного воздуха Н1,

Нп, Ну1.

Нн1 = CBtH1 + dH1 ( + CjH1 )=1,005 5+3 10-3(2500+1,807 5)=5,025+7,53=12,56 кДж/кг с. в. нn = CBtn + dn ( + Cntn ) =1,005 20+3 10-3(2500+1,807 20)=20,1+7,71=27,71 кДж/кг с. в

Энтальпию Ну1 найдем из уравнения теплового баланса помещения:

Ну1=^^)+Нп =(20/2)+27,71=37,71 кДж/кг с. в. Энергосберегающий эффект:

ZQ3 = G є(ну1 — Hн1) =2 0,6 (37,71-12,56)=25,15 кВт.

Пример 4. 3.

Условие

Фактическое теплопотребление системой горячего водоснабжения жилого здания, выявленное по результатам инструментального энергоаудита, составляет 120 кВт. Оцените потенциал энергосбере­жения, если расчетное количество потребителей горячей воды равно m = 100 человек. Температура горячей воды 55°С, температура холодной водопроводной воды в отопительный период 5°С, в летний период 15°C.

Решение

Среднесуточный расход теплоты на горячее водоснабжение в отопительный период определяется по формуле:

QZ = 1,2- m-a — (tz -1^)срр, кДж/сут, где a = 105 +120 кг/(чел-сут) — норма водопотребления для жилых зданий квартирного типа, оборудо­ванных ванными; сpp = 4,19 кДж/(кгК) — средняя удельная теплоемкость воды;

Тогда Q^ = 1,2 -100 -120 — (55 — 5)- 4,19 = 3016800 кДж/сут

Средняя нагрузка на горячее водоснабжение в отопительный период:

0?І = = 3016800 = 34,92 кВт

5 24-3600 24-3600 Средняя за отопительный период нагрузка определяется по формуле:

55 — 5

QZn = 34,92 — — 0,8 = 34,92 кВт

^гв, л 55 -15

Где в = 0,8 (для жилищно-коммунального сектора).

Расчетная максимальная тепловая нагрузка на горячее водоснабжение: QP = X-QCPa = 2,4-34,92 = 83,8 кВт, где х — расчетный коэффициент часовой неравномерности, ори­ентировочно для жилых и общественных зданий принимают х = 2,4.

Потенциал энергосбережения можно оценить, как разность фактической и расчетной тепловых нагрузок — Оф.- QP =120-83,8=32,2 кВт.

Задачи

Задача 4.1.

В системе кондиционирования общественного здания воздух окружающей среды с температу­рой t1=320C и относительной влажностью ф1 =80% поступает в камеру смешения, где смешивается с частью вытяжного воздуха. Пройдя термовлажностную обработку в центральном кондиционере, воз­дух поступает в обслуживаемое помещение с параметрами t2 =200С и ф2=55%. Температуру и относи­тельную влажность воздуха на выходе из цеха принять соответственно равными t3=230C и ф3=65%. Расход приточного воздуха считать равным G0=10 кг/с. Степень рециркуляции ар=0,3.

Постройте процесс термовлажностной обработки воздуха в системе кондиционирования в H, d — диаграмме. Определите, какую холодильную мощность можно сэкономить при применении рецирку­ляции в схеме кондиционирования воздуха по сравнению с прямоточной схемой. Определите эконо­мию условного топлива за год, полагая, что источником холодоснабжения установки является холо­дильная машина, к. п.д. которой равен 0,8, а система кондиционирования работает 18 часов в сутки.

Задача 4.2.

В системе кондиционирования здания (см. схему) воздух окружающей среды с температурой? н=0°С и влажностью сСн=3 г/кг с. в. подогревается в утилизационном рекуперативном теплообменнике до температуры f1=150C. Затем, пройдя термовлажностную обработку в центральном кондиционере, воздух поступает в обслуживаемое помещение с параметрами? п2=20°С и фп2.=55%. Температуру и от­носительную влажность воздуха на выходе из цеха принять соответственно равными? в=25°С и фв=65%. Расход свежего воздуха равен Єн=2 кг/с. Определите, какую тепловую мощность можно сэко­номить при применении в схеме кондиционирования утилизационного теплообменника, по сравнению с прямоточной схемой. Определите экономию условного топлива, полагая, что источником теплоснаб­жения является ТЭЦ.

Задача 4.3.

Жилое здание типовой постройки типа П31/12 имеет строительный объем 24950 м3 и располо­жено в г. Москва. Оцените годовую экономию тепловой энергии, если в результате проведения ком­плекса энергосберегающих мероприятий, связанных с улучшением теплозащитных свойств ограж­дающих конструкций, удалось снизить теплопотери в окружающую среду на 5%.

Задача 4.4.

Определите величину зазора между стёклами оконной рамы размерами h=1,5 мм (высота) и 1=2,0 мм (ширина) при которой тепловые потери через окно будут минимальными. Толщина стекол d=0,003 м. При решении задачи принять расчетные температуры наружного и внутреннего воздуха по СНиП. Жилое здание расположено в г. Москве.

Задача 4.5

В приточной системе вентиляции холодный наружный воздух с температурой ^ =-150С поступает в калорифер по стальному воздуховоду квадратного сечения размерами (50*50) мм. Толщина стенки воздуховода 6=1,5 мм. Длина участка воздуховода от ввода в здание до калорифера L=15 м. Темпера­тура в месте прокладки воздуховода t1=18 С. Воздух подогревается в калорифере до ^=220С и пода­ется вентилятором в обслуживаемое помещение. Расчетные параметры теплоносителя в водяной системе отопления 105-700С. Производительность вентилятора 18000 м3/ч. Какая тепловая мощность экономится за счет подогрева воздуха на участке от ввода до калорифера? На сколько уменьшится расход горячей воды?

Задача 4.6 Сравните годовое теплопотребление системой вентиляции образовательного учреж­дения, расположенного в Москве, при круглосуточной работе с максимальной нагрузкой и при работе в следующем режиме теплопотребления:

Интервалы часов в сутки Тепловая нагрузка, в % отдв

6-8 70%

8-18 100%

18-8 10%

Максимальная часовая вентиляционная нагрузка дв=1,09 Гкал/ч.

Задача 4.7

Рассчитайте площади поверхностей теплообмена калориферов, используемых для нагрева 10 кг/с наружного воздуха от — 26°C до + 10°C воздухом, удаляемым из помещения, в системе утилизации теплоты последнего с жидкостно-воздушными теплообменниками-утилизаторами (калориферами) и циркулирующим между ними промежуточным теплоносителем. В качестве промежуточного теплоноси­теля используется вода. Ее минимальная температура в системе + 5°C, конечная + 8°C. Температур вытяжного воздуха + 25°C, относительная влажность 50 %.

Задача 4.8

При расчете воздухоподогревателя в системе утилизации теплоты вентиляционных выбросов получены следующие данные: площадь поверхности теплообмена 450 м2, проходные сечения по воз­духу 2 м2 и по воде 0,006 м2. Каким образом необходимо скомпоновать воздухоподогреватель из кало­риферов с поверхностью теплообмена 122,4 м2, проходными сечениями 1,045 м2 и 0,003 м2?

Задача 4.9

Рассчитайте экономию тепловой энергии в случае уменьшения расхода инфильтрующегося воздуха на 50% из-за проведения энергосберегающих мероприятий. Расчетные температуры: наружного воз­духа t р’от = -26 °С, внутри помещения — tp = 18 °С. Расчетное количество людей в помещении n = 157 человек.

[1] •qm • q

Кн +1

[3] — ■ Лрн2

[4] Хн2 определяется по таблицам газодинамических функций.

[5] Оценка экономии тепловой энергии при использовании изоляции в паропроводах и

Тепловых сетях.