Функциональное назначение систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха состоит в обеспечении заданных параметров микроклимата в зданиях и сооружениях разного назначения. Здание, как энергетическая система, представляет собой совокупность помещений, каждое из которых характе­ризуется индивидуальными особенностями. Параметры внутренней среды формируются в условиях воздействия на помещение потоков тепла, влаги и воздуха. Поступление потоков обусловлено воздей­ствием наружной и внутренней (технологической) среды помещения.

В процессе функционирования системы потребляются энергоресурсы. Энергосбережение как комплекс мер, направленных на сокращение расхода энергии от внешних источников, подразумевает в первую очередь использование таких систем, которые заведомо экономичнее других. Объем энергопотребления определяется совокупностью большого числа факторов и переменно во времени суток и года. Для объ­ективной оценки энергетической эффективности следует пользоваться суммарным (во времени) пока­зателем, каковым является годовой расход. Для систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха именно год является полным интервалом времени, на котором реализуется весь набор режи­мов энергопотребления.

Суммарный расход энергии системами отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха складыва­ется из двух частей. Первая составляющая направлена на нейтрализацию возмущающих тепловых воз­действий для стабилизации температурных условий (отопление-охлаждение здания). Влияние наружной и внутренней сред на эту долю расходования энергии — косвенное и проявляется посредством теплово­го и воздушного режима здания.

Вторая составляющая связана с тепловой обработкой и перемещением воздуха в системах вентиляции и кондиционирования воздуха и представляет собой расход энергии на вентиляцию. Зависимость вто­рой части расхода энергии от параметров наружной среды — прямая. Имея в виду неоднозначную взаи­мосвязь двух составляющих энергопотребления, для объективной оценки следует оперировать суммар­ной величиной расхода.

Система технических мер энергосбережения (организационные меры здесь не затрагиваются), пред­ставленная на Рис. 1 исходит из определенных приоритетов и базируется на структуре энергопотребле­ния.

Следует отметить, что сокращение энергопотребления системами отопления, вентиляции и кондицио­нирования воздуха не может осуществляться в ущерб качеству микроклимата. Кроме того, снижение энергопотребления должно быть оправдано экономически, то есть должны использоваться решения, не требующие дополнительных инвестиций. Существующий в настоящее время арсенал средств позволяет существенно понизить потребление энергии. Однако во многих случаях реализация всего комплекса мер сопряжена со значительными капиталовложениями и в конечном итоге может оказаться нерентабель­ной.

Говоря о приоритетах энергосбережения, следует иметь в виду, что прежде всего должны осуществ­ляться меры по снижению тепловой годовой нагрузки на системы отопления, вентиляции и кондициони­рования воздуха. Это требует реализации при проектировании комплекса архитектурно-планировочных мер и усиления теплозащиты здания.

При проектировании систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха следует отдавать предпочтение рациональным видам систем. Одновременно следует закладывать меры по снижению энергопотребления в эксплуатационных условиях. Такие мероприятия связаны с регулированием мощ­ности систем.

Передовой опыт показывает, что с помощью перечисленных средств, которые являются традиционны­ми, удаётся снизить удельное энергопотребление систем на 70%.

Лишь во вторую очередь подлежат реализации меры по вовлечению в оборот вторичных энергоресур­сов. Наибольшее распространение в данной области техники получили активные способы утилизации ВЭР с помощью теплообменных аппаратов. Наряду с активными, эффективным представляется пассив­ный способ утилизации — за счет совмещения функций ограждения и системы. Использование возоб­новляемых источников энергии для обеспечения микроклимата не является первоочередной задачей, однако, это один из способов снижения удельного энергопотребления и может рассматриваться в каче­стве перспективного.

Энергосбережение за счет снижения тепловой нагрузки на системы отопления, вентиляции и кондицио — нирвания воздуха.

Использование архитектурно-планировочных мер и теплозащиты здания. Потребление тепла системами отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха зависит от вида системы, её установочной мощ­ности, текущей тепловой нагрузки. Перечисленные факторы определяются конструктивно- планировочными параметрами здания, уровнем его теплозащиты, технологическим процессом, проте­кающим в помещениях.

Выбор архитектурно-планировочных и теплозащитных параметров здания ведётся при его проектирова­нии.

Форма здания влияет на величину теплопотерь. Наиболее выгодной является форма, при которой от­ношение площади наружной поверхности к объёму минимально. Такими являются здания в форме ку­ба.

Важной является высота здания. При сохранении объёма здания увеличение его высоты в 4 раза (на­пример, с 15 до 60 м.) приводит к двукратному увеличению годового расхода тепла на отопление. На величину энергопотребления здания также влияет его ориентация (для зданий с вытянутыми фаса­дами). Ориентированные на южную половину горизонта фасады получают достаточно большие поступ­ления солнечной радиации, которые особенно ощутимы в начале и в конце отопительного периода. Важным фактором энергопотребления здания является уровень теплозащиты здания, который опреде­ляется коэффициентами теплопередачи наружных ограждений и степенью остекления фасадов. Тепло­защитные свойства окон значительно ниже, чем у стен, поэтому увеличение площади окон приводит к увеличению расхода энергии на отопление. При пофасадном и индивидуальном регулировании увели­чение степени остекления позволяет снизить расход тепла за счет увеличенного теплопритока от сол­нечной радиации, однако такой эффект ощутим лишь в южных регионах. Увеличенная площадь окна снижает расход электроэнергии на искусственное освещение. В то же время, увеличение площади ос­текления приводит к резкому увеличению тепловой нагрузки на системы вентиляции и кондиционирова­ния воздуха в теплое время года. Технико-экономические расчеты, основанные на комплексном рас­смотрении здания, показывают, что экономически целесообразна минимальная степень остекления фа­садов, соответствующая минимальной естественной освещённости.

Задача выбора теплозащиты стен и перекрытий — технико-экономическая. Усиление теплозащиты стен достигается увеличением толщины теплоизоляционного слоя в её конструкции (для современных мно­гослойных конструкций) или самой конструкции (для однослойных). При увеличении толщины стены возрастает её стоимость, но сокращается тепловая нагрузка на систему отопления и стоимость потреб­ления тепловой энергии. Расчеты для условий Москвы показывают, что экономически целесообразным является двойное остекление в раздельных переплётах, а коэффициент теплопередачи для стен в за­висимости от ориентации фасада должен изменяться от 1 Вт/кв. м*°С для южного фасада до 0,85 Вт/кв. м.*°С для северного.

Энергетическая оценка различных архитектурно-планировочных факторов для двух способов регулиро­вания в условиях Москвы приводится в Табл. 1.1. (для зданий площадью 7200 кв. м., размеры 12х60 м., 10 этажей).

Рис.1 Система технических мер энергосбережения.

Совмещение функций ограждений и систем

Применение тепловых на­сосов

Регенеративные и

Рекуперативные

Теплообменники

Архитектурно-

Планировочные

Меры

Системы с

Солнечными

Коллекторами

Снижение расхода воз­духа с уче­том сани­тарных норм

Системы с

Солнечными

Абсорберами

3 — традиционно применяемые параметры здания с экономически целесообразными теплозащитой и степенью остекления здания

А — ориентации фасадов здания по основным румбам — юг, север, восток, запад

Б — ориентации фасадов здания по промежуточным румбам — юго-восток, юго-запад, северо-восток, се­веро-запад

Как видно из Табл. 1.1., применение экономически целесообразных размеров здания даёт 37% экономии тепловой энергии, переход на экономически целесообразный уровень теплозащиты обеспечивает ещё 10% экономии. Переход на пофасадное регулирование в чистом виде даёт экономию 1-2%, в южных районах значительно больше, например в Ташкенте до 10%. Однако пофасадное или индивидуальное регулирование позволяет правильно распределить тепло между фасадами и повысит качество отопле­ния.

Следует иметь в виду, что приведенные цифры были получены для действовавших ранее тарифов и стоимостей. В связи с реформами в экономике, очевидно, будут изменены соотношения в стоимости строительных материалов и энергоносителей, что неизбежно скажется на результатах. Опыт зарубеж­ных стран свидетельствует о тенденции к увеличению теплозащиты здания и, следовательно снижению затрат энергии на его отопление.

Совмещение функций ограждений и систем. Эффективным способом снижения тепловой нагрузки в сис­темах отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха в промышленных и общественных зданиях служит удаление вытяжного воздуха через межстекольное пространство окон (Рис. 1.1.). Этот способ особенно хорош в помещениях, в которых не допускается рециркуляция внутреннего воздуха. Экономия энергии в холодное время года (на отопление) достигается за счет утилизации тепла выбросного возду­ха, которая осуществляется в межстекольном пространстве. Вентилирование окна позволяет значи­тельно повысить температуру поверхности остекления, что улучшает гигиенические условия в помеще­нии в холодное время года.

В тёплое время года при вентилировании межстекольного пространства из него удаляется поглощённое тепло солнечной радиации, проникающей через стёкла (см. Рис. I.2.). При этом снижается теплопоступ — ление от солнечной радиации и тепловая нагрузка на системы вентиляции и кондиционирования возду­ха.

Снижение тепловой нагрузки на системы вентиляции и кондиционирования воздуха можно достичь ис­пользованием ночного проветривания помещений. Такой способ энергосбережения основан на охлаж­дении помещений наружным воздухом с пониженной температурой и особенно эффективен в местности со значительным суточным ходом температуры наружного воздуха. При ночном проветривании система вентиляции работает ночью, когда в помещении отсутствуют люди. При этом имеет место дополнитель­ный расход электроэнергии на перемещение воздуха в системах вентиляции и кондиционирования воз­духа. Ночное проветривание позволяет удалять из помещения тепло, аккумулированное за день ограж­дениями и оборудованием помещения и аккумулировать в них холод. За счет этого мероприятия удаёт­ся значительно понизить тепловую нагрузку на систему в дневные и особенно в утренние часы, а также сократить воздухообмен или расход искусственного холода в СКВ. Эффективность ночного проветрива­ния помещений возрастает, если использовать пустотные междуэтажные перекрытия в качестве возду­ховодов (см. Рис. 1.1.). В этом случае перекрытие играет роль аккумулятора ночного холода и позволяет дополнительно понизить температуру приточного воздуха в СКВ в дневные часы.

Междуэтажные перекрытия или каналы в стенах могут использоваться в холодное время в качестве ак­кумуляторов тепла системы отопления. В случае, когда тёплый воздух проходит через каналы в ограж­дениях, а затем попадает в помещение, говорят о панельно-воздушной комбинированной системе ото­пления. Такая система обеспечивает хороший гигиенический эффект и позволяет экономить тепло. Применять тепловую аккумуляцию ограждений возможно в этом случае при использовании прерывисто­го отопления, которое возможно во многих помещениях.

Известны способы использования ночного холода с аккумуляцией его в грунте или специальных мас­сивных насадках. В подземном вентиляционном канале, предназначенном для подачи в здание наруж­ного воздуха, устанавливается насадка из крупного булыжника. В ночное время воздух с пониженной температурой, проходя через насадку, охлаждает её. В дневные часы, когда по каналу поступает воздух с относительно высокой температурой, происходит его охлаждение на 3 — 6 °С. Использование такого способа эффективно в районах с жарким континентальным климатом при суточной амплитуде темпера­туры 10 °С.

Энергосбережение при осуществлении экономичных режимов работы систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха.

Регулирование мощности систем позволяет повысить их энергетическую эффективность. В рассматри­ваемых системах существует большое число способов регулирования, обеспечивающих снижение рас­хода энергии. Здесь представлены лишь некоторые способы, показательные сточки зрения энергосбе­регающей технологии.

Снижение температуры воздуха в нерабочее время. В холодное время года может быть допущено сни­жение тепловой мощности систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха с понижением температуры воздуха в нерабочее время до допустимого предела. В промышленных зданиях эта тем­пература равна +5°С, а в общественных местах зависит от назначения помещения. Особенно целесооб­разно снижение тепловой мощности дежурной системы отопления в помещениях, в которых допускается существенное снижение температуры воздуха. Теплопоступления от системы отопления в конечном итоге входят как одна их составляющих в тепловую нагрузку на СВ или СКВ. Снижение нагрузки на СВ или СКВ позволяет в холодное время года сократить воздухообмен до минимального по санитарной норме, что в свою очередь даёт ощутимую экономию энергии.

Снижение суммарного числа часов работы систем. Сокращения суммарной продолжительности работы систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха за сутки можно достичь периодическим включением и выключением этих систем. При этом возникают колебания температуры и других пара­метров внутреннего воздуха. Нормируемые ограничения на колебания параметров определяют условия периодического включения систем. Возможны такие ситуации, когда периодическое выключение систем недопустимо, и они должны работать постоянно.

Под периодическим отоплением понимается работа системы отопления в дневные часы и перерыв в нерабочее время. С понижением температуры наружного воздуха периодическое отопление возможно до тех пор, пока значение температуры воздуха в нерабочее время выше допустимого. Охлаждение по­мещения в нерабочее время зависит от теплозащиты помещения, поэтому указанное мероприятие предпочтительно в хорошо утеплённых зданиях. В связи с тем, что в нерабочее время охлаждаются и ограждения, и оборудование, — для их разогрева к моменту начала эксплуатации требуется предвари­тельный нагрев за счет работы системы в форсированном режиме.

Использование периодического отопления в зрительных залах кинотеатров, в которых возможно пони­жение температуры внутреннего воздуха в нерабочее время до +8°С, даёт экономию тепла до 7% (при повышенной теплозащите помещений).

Принцип действия периодической вентиляции основан на том, что при вентилировании помещения све­жим воздухом концентрация вредности (например, углекислого газа в общественном помещении) убы­вает быстро (по экспоненциальному закону), а при бездействии вентиляции повышение концентрации вредности в воздухе помещения протекает медленнее (по линейному закону). На этом же принципе ос­нован традиционный и эффективный метод периодического проветривания помещений.

Режим работы системы вентиляции в общественных зданиях определяется накоплением в воздухе вы­деляемой людьми углекислоты, поэтому эффективность периодической вентиляции зависит от интен­сивности выделения углекислоты (количества людей в помещении) и объёма помещения. Скорость про­ветривания определяется кратностью вентиляции. Во всех случаях требуемая продолжительность про­ветривания равна в часах кратности воздухообмена, поделённой на 3. То есть при кратности воздухо­обмена, равной 3, требуется 1 час, чтобы проветрить помещение. Частота включения вентиляции не зависит от кратности и целиком определяется объёмом помещения. Поэтому эффективность периоди­ческой вентиляции особенно велика в помещениях большого объёма при переменном заполнении по­мещений людьми. В промышленных зданиях периодическая вентиляция может эффективно использо­ваться при технологических процессах с переменным выделением вредных газов.

Так как при периодическом включении системы вентиляции имеет место колебание температуры и дру­гих параметров воздуха, то там, где такие колебания не допускаются, требуется синхронизация работы вентиляции и регулирования тепловой мощности отопления.

При круглогодичном использовании периодической вентиляции её энергетическая эффективность воз­растает. Работа системы вентиляции в режиме периодического включения может осуществляться вруч­ную, с помощью таймера или вестись полностью автоматически. Наиболее удобно автоматическое ре­гулирование включения вести по сигналу датчика концентрации углекислого газа или другой газовой вредности.

Учёт концентрации газовых вредностей. Снижения расхода энергии в системах вентиляции и кондицио­нирования воздуха можно достичь, обеспечивая их работу с переменным расходом воздуха. В помеще­ниях общественных и промышленных зданий с тепло-влагоизбытками возможность уменьшения расхода в эксплуатационных условиях открывается в связи со снижением нагрузки на систему относительно рас­четного значения. На снижение расхода имеется два ограничения. Первое ограничивает минимальное количество наружного воздуха по санитарной норме. Второе связано с ограничением температуры при­точного воздуха по условиям воздухораспределения.

Описанные выше способы снижения нагрузки на системы вентиляции и кондиционирования воздуха позволяют преодолеть первое препятствие. Второе ограничение можно значительно отодвинуть, если ввести уменьшение расхода приточного воздуха на основе регистрации концентрации вредности в воз­духе помещения. Применительно к общественным зданиям такой вредностью является избыток угле­кислоты и расход наружного воздуха можно менять по мере заполнения помещения людьми. Автомати­чески такое изменение осуществляется по датчику концентрации углекислоты. Снижение расхода воз­духа относительно расчётной величины возможно как в тёплое так и в холодное время года.

Энергосбережение при использовании дополнительных источников энергии для теплоснабжения сис­тем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха.

Утилизация теплоты выбросного воздуха. Среди множества вторичных энергоресурсов, образующихся при работе различных технологических установок и энергетического оборудования на промышленных предприятиях можно выделить основные, пригодные для утилизации: теплота уходящих дымовых газов котлоагрегатов, печей, других теплоиспользующих установок; теплота сжатого воздуха компрессоров; теплота охлаждающей воды от технологического оборудования; теплота парогазовых потоков от су­шильных установок; теплота вытяжного воздуха систем вентиляции и кондиционирования и другие. С точки зрения теплоснабжения систем вентиляции и кондиционирования воздуха утилизация теплоты выбросного воздуха представляет наибольший интерес. Следует отметить, что к настоящему времени в нашей стране отсутствует крупносерийное производство широкой номенклатуры теплоутилизаторов. Нет однозначно определенной области целесообразного применения тех или иных их видов. Отечест­венные образцы утилизаторов теплообменников сведены в Табл. III.1.

Принципиально для утилизации теплоты выбросного воздуха используется шесть видов утилизаторов, имеющих разную эффективность. Наиболее высокой эффективностью обладают регенеративные теп­лообменники с вращающейся насадкой. Наша промышленность такие установки не выпускает. На Рис. III.1. показано устройство такого аппарата фирмы ФЛЭКТ (Швеция). Теплообменник устанавливается в параллельных потоках приточного и вытяжного воздуха (см. Рис. III.2.), разделённых стенкой и передаёт тепло (а при определённых условиях и влагу) из выбросного воздуха в приточный. Причём процесс теп­лообмена идет непрерывно.

В 1982 г. в САНТЕХНИИПРОЕКТ был разработан технический проект крышной приточно-вытяжной уста­новки (см. Рис. III.3.). В верхней части камеры горизонтально расположен вращающийся регенеративный теплоутилизатор, разработанный совместно ЗИЛ и МНИИТЭП. Теплообменник представляет собой ба­рабан, образованный лентами из гофрированной и гладкой алюминиевой фольги. Частота вращения 10 об/мин. К внутреннему воздуховоду предусмотрено присоединение воздухораспределителя ВВР. Об­ласть применения крышных приточных теплоутилизаторов в основном — общественные здания (произ­водительность по воздуху 5-20 тыс. куб. м./ч.). Как и любой утилизатор такого типа, его не следует приме­нять при загрязнении воздуха токсичными, взрывоопасными и пахнущими веществами. При температуре выбросного воздуха +20°С и наружного -20°С установка обеспечивает нагрев наружного воздуха до +8°С и имеет при этом тепловую мощность от 47 до 187 кВт в зависимости от воздухопроизводительно — сти.

Помимо регенеративных теплообменников с вращающейся насадкой известны конструкции с неподвиж­ными насадками. Принцип их действия основан на попеременном движении нагретого и нагреваемого потоков воздуха через теплообменники. В качестве примера конструкция одного из простейших тепло­обменников показана на Рис. III.4.

Достаточно высокой эффективностью обладают пластинчатые воздухо-воздушные теплообменники — утилизаторы. В них обменивающиеся теплом потоки воздуха разделены стенкой, поэтому нет ограниче­ний на состав воздуха.

Использование теплоты солнечной радиации. Прямое использование солнечной радиации сулит суще­ственные выгоды. Солнечная радиация обладает экологической чистотой, доступностью. Однако пря­мое использование тепла солнца затруднено из-за относительной сложности поглощения и трансфор­мации, а также из-за несовпадения во времени прихода и потребления энергии.

Все гелиоиспользующие установки подразделяются на пассивные и активные. Первые — наиболее про­стые и дешевые позволяют использовать солнечное тепло за счет архитектурно-планировочных мер. В качестве примера на Рис. III.5. показано устройство так называемой стены Тромба, позволяющей улав­ливать и аккумулировать тепло солнечной радиации в обычной наружной стене здания, имеющей до­полнительный слой остекления.

Активные системы имеют разного рода гелиоприёмники, в которых нагревается теплоноситель. Такие системы подразделяются на воздушные и водяные по виду теплоносителя, получающего тепло. Вода является удобным теплоносителем, однако имеет существенный недостаток — замерзает. В местностях с низкой температурой наружного воздуха используются системы со спиртовыми растворами в качестве теплоносителя. Воздух в этом отношении обладает преимуществом, однако он имеет малую удельную теплоёмкость, что требует увеличенных габаритов установки.

Основным элементом системы является гелиоприёмник. Различают несколько видов этих теплообмен­ников. Концентрирующие гелиоприёмники состоят из сферических или цилиндрических поверхностей, в фокус которых помещается нагреваемый элемент (см. Рис. III.6). Такие приёмники могут обеспечивать нагрев теплоносителя до 100°С.. Они эффективно работают только при прямом облучении и требуют периодической очистки.

Наибольшее распространение получили плоские гелиоприёмники или солнечные коллекторы, состоя­щие из стеклянного или пластикового покрытия (одинарного, двойного, тройного), тепловоспринимаю — щей панели и тепловой изоляции обратной стороны панели. Под действием солнечных лучей поверх­ность нагревается до 70-80°С. Для увеличения эффективности поверхностей их покрывают специаль­ными плёнками или вакуумируют объём над поверхностью. Технические характеристики, выпускаемых в СНГ коллекторов, приведены в Табл. III.2.

Более простые устройства для поглощения солнечной радиации называются солнечными абсорберами. Эти теплообменники не имеют защитного остекления, в связи с чем нет надобности в корпусе, гермети­зации, очистке стекла (см. Рис. III.7). В отличие от солнечных коллекторов, абсорберы могут работать лишь в сочетании с тепловым насосом.

Системы гелиоснабжения бывают индивидуальными и централизованными. Для выравнивания несоот­ветствия поступления и потребления тепла они оборудуются аккумуляторами. Последние, в свою оче­редь, в зависимости от назначения, могут быть суточными и сезонными.

Тепловые насосы. Гелиоиспользующие установки, утилизаторы низкопотенциального тепла включают в свой контур теплонасосные установки (ТНУ). Значительные экономические и экологические преимуще­ства ТНУ делают их перспективными в области тепло-холодоснабжения.

Энергетическая эффективность ТНУ оценивается коэффициентом преобразования, равным от­ношению полученной теплоты в конденсаторе к тепловому эквиваленту затраченной на привод ком­прессора электроэнергии. Обычно этот коэффициент равен 3-4, т. е. на единицу мощности привода из­влекаются 3-4 единицы тепловой мощности низкопотенциального тепла.

Рассмотренные выше энергосберегающие меры представляют собой лишь часть общего комплекса средств повышения энергетической эффективности систем отопления, вентиляции и кондиционирова­ния воздуха. Осуществление этих или других энергосберегающих решений подразумевает нормальную эксплуатацию систем, спроектированных и смонтированных в соответствии с существующими нормами. В реальной жизни, к сожалению, часто допускаются нарушения правил эксплуатации. Наведение поряд­ка в отопительно-вентиляционном хозяйстве организации или предприятия — это одна из наиболее эф­фективных мер в энергосбережении. Второе важное условие энергосбережения состоит в учёте расхода энергоресурсов. Реализация этих условий открывает путь к внедрению энергосбережения.