Микроклимат помещений, затраты на отопление и вентиляцию

Параметры микроклимата, микроклимат помещений.

При строительстве односемейных домов (коттеджей) широкое распространение получили системы отопления и вентиляции (ОВ) и горячего водоснабжения (ГВС), использующие в качестве источника тепла индивидуальные котлы, а для охлаждения воздуха в помещениях летом — автономные раздельные кондиционеры (сплит-системы).

Для того чтобы вычислить расчетные энергетические показатели традиционных систем ОВК и ГВС, проведем их оценку на примере двухэтажного коттеджа общей площадью 260 м2. В доме имеется шесть обитаемых комнат площадью 180 м2, в которые (в соответствии с санитарными нормами — 3 м3/час·м2) должно поступать приточного воздуха:

Lпн = 180 · 3 = 540 м3/час

В расчетных условиях холодного периода года в климате Москвы на нагрев саннормы приточного наружного воздуха при tнх = — 28 °С:

Qт.пн. = 540 · 1,34 · 1 · (20+28)/3,6 = 9648 Вт.

Теплопотери через наружные ограждения при tнх = — 28 °С составляют 7000 Вт.

В часы жизнедеятельности людей при включении освещения, телевизора, приготовлении пищи на кухне и т.п. в помещениях выделяется тепло и влага, которые конвективными потоками поднимаются под потолок и нагревают перекрытия и верхнюю часть стен. Через вытяжные отверстия и каналы отепленный и влажный воздух выбрасывается наружу. Компенсация теплопотерь и нагрев поступающего через форточки, щели или регулируемые отверстия приточного наружного воздуха осуществляется отопительными приборами, смонтированными под окнами. Общие расчетные затраты тепла на отопление и вентиляцию составляют:

Σqт.ов = 7000+9648 = 16648 Вт.

Удельные затраты тепла составляют:

qт.ов = 16640/260 = 64 Вт/м2

По рекомендациям в СНиП для односемейных домов удельные внутренние тепловыделения принимаются не менее 10 Вт/м2 общей площади. Применительно к рассматриваемому коттеджу это составит:

qт.выд.т. = 260 · 10 = 2600 Вт.

Приточно-вытяжная установка с двухступенчатой утилизацией тепла вытяжного воздуха
Рис 1. Приточно-вытяжная установка с двухступенчатой утилизацией тепла вытяжного воздуха

Однако при традиционном использовании под окном отопительных приборов на них ниспадает приточный холодный воздух. Внутренние тепловыделения не находятся в этой зоне и не влияют на расход тепла на отопление и вентиляцию. Поэтому общий расчетный расход тепла на отопление и вентиляцию рассматриваемого коттеджа принимается равным 16648 Вт, как это вычислено выше.

В системе ГВС расход тепла на нагрев зимой холодной водопроводной воды с начальной температурой tw.вод.х = 5 °С до twtb = 60ºC определяется нормой ее расхода за сутки 140 кг/чел.сут.

В рассматриваемом коттедже проживает 6 человек. Суточный расход горячей воды составит:

qwtb = 840 · 4,2 · (60-5) · 0,3/3,6 = 16170 Вт.

Расчетный часовой расход тепла на нужды ГВС принимается в 30 % от суточного ее расхода.

qт.гв = 840 · 4,2 · (60-5) · 0,3/3,6 = 16170 Вт.

С запасом в 20 % установочная мощность газового котла на периоды отопления, вентиляции и горячего водоснабжения:

qком = (16648 + 16170) · 1,2 · 10-3 = 40 кВт·ч.

В теплый период года котел используется только на нужды ГВС, что составляет только 50 % от его производительности. Использование котла на пониженную производительность ведет к значительному снижению КПД котла и перерасходу топлива.
В последние годы летом, даже в климате Москвы, наблюдается повышение температур наружного воздуха днем выше 30 °С, что создает перегрев помещений. Поэтому для охлаждения помещений жильцы применяют раздельные автономные кондиционеры (сплит-системы).

Использование для охлаждения помещений сплит-систем имеет ряд серьезных недостатков:

  • наличие на фасаде наружного блока искажает архитектурное решение здания и создает опасность для прохожих, так как фиксировались случаи падения на людей достаточно тяжелых (до 50 кг) блоков из-за нарушения крепления кронштейнов к стене;
  • во внутреннем блоке сплит-системы в трубках кипит рабочий агент холодильной машины при температуре to = 5 °С, что обусловливает глубокое охлаждение и осушение внутреннего воздуха, проходящего от вентилятора через теплообменник-испаритель;
  • внутренний воздух охлаждается в испарителе до 12-13 °С, при попадании на человека потока холодного воздуха возникают дискомфорт и простудные заболевания, а также радикулиты, артриты;
  • при осушке внутреннего воздуха в испарителе конденсируется влага из воздуха, которая собирается в поддоне и подлежит сливу в канализацию, но устройство отводных трубопроводов для осуществления этого процесса вызывает трудности из-за удаленности мест установки воздухоохладителей от канализационных стояков.
Рис. 2. Энергосберегающая система ОВК "Элита" в коттедже
Рис. 2. Энергосберегающая система ОВК «Элита» в коттедже

Другими словами, можно утверждать, что традиционные системы ОВК обладают повышенными расходами тепла и электроэнергии.

Сокращения расходов тепла и электроэнергии можно достичь, используя систему ОВК «Элита», разработанную ЗАО «Обитель». В ее основе — централизованное приготовление санитарной нормы приточного наружного воздуха Iпн.мин. Применительно к рассматриваемому коттеджу площадью обитаемых комнат 180 м2 величина Iпн.мин. = 540 м3/час, как это вычислено выше. В каждой комнате под окном устанавливается эжекционный доводчик (его схема опубликована на стр. 61 в № 2/2008). От центрального приточного кондиционера по воздуховодам поступает приточный воздух Iпн.мин. Например, на окно приходится обитаемая площадь комнаты 20 м2, тогда, Iпн = 20 х 3 = 60 м3/час.

Рассмотрим особенности работы эжекционного доводчика (ДЭ) в холодный и переходный периоды года. По воздуховоду (рис. 2) подается приточный воздух Iпн, который поступает в камеру и выходит из сопел со скоростью не более 16 м/с. Благодаря преобразованию кинетической энергии струи воздуха перед теплообменником создается разряжение, и это вызывает подсасывание — эжекцию внутреннего воздуха Iв.э. через щелевое отверстие в подоконнике. К отверстию в подоконнике подсасывается воздух из зоны под потолком комнаты, где воздух всегда имеет температуру tвep.y> tв. В холодный период даже в ночные часы tвер.у = 23 ºС, что обусловливает охлаждение эжектируемого воздуха Iв.э по поверхности стены и поверхности холодного остекления. При охлаждении эжектируемого воздуха Iв.э часть трансмиссионных теплопотерь компенсируется от охлаждения эжектируемого воздуха.

Испытаниями установлено, что в ДЭ коэффициент эжекции равен:

Kэ = Iв.э/Iпн = 3.

К ДЭ, установленным в помещениях рассматриваемого коттеджа, подается:

ΣIпн = 540 м3/час.

Количество эжектируемого воздуха будет:

ΣIв.э = Kэ · ΣIпн = 3 · 540 = 1620 м3/час.

При охлаждении эжектируемого воздуха на внутренней поверхности стен и остекления с tв.ух = 23 °С до tв.э = 20 °С, строительным конструкциям отдается тепло в количестве:

qт.в.э = ΣIв.э · ρв.э · ср · (tв.ух — tв.э)/3,6 = 1620 · 1,2 · 1 · (23-20)/3,6 = 1620 Вт.

Полученная величина снижения трансмиссионных теплопотерь даже меньше проведенного выше расчета при нормируемых минимальных бытовых тепловыделений 10 Вт/м2, определенных выше в qт.выд.э = 2600 Вт.

При работе вытяжного агрегата из жилых помещений, кухни, ванной, душевой, туалетов на вытяжку зимой поступает удаляемый воздух с параметрами: tух1  = 24 °С, Iух1 = 40 кДж/кг.

В приточном и вытяжном воздуховодах после фильтров установлены теплообменники, которые связаны трубопроводами со смонтированным на них насосом. Такая система называется установкой утилизации с насосной циркуляцией антифриза. В теплоизвлекающем теплообменнике установки утилизации, смонтированном в вытяжном агрегате, вытяжной воздух зимой охлаждается и осушается с Iух1 = 40 кДкг до Iух2 = 18 кДж/кг (tух2 = 5°С).

Вычисляем количество извлекаемого тепла из вытяжного воздуха, которое воспринимается антифризом:

Qт.у1 = ΣIу · ρу · (Iух1 — Iух)/3,6 = 540 · 1,23 · (40-18)/3,6 = 4059 Вт.

Отепленный антифриз насосом подается в теплоотдающий теплообменник, смонтированный в приточном агрегате, и утилизированное тепло обеспечивает повышение температуры приточного наружного воздуха:

tнх2 = tнх + (qm.y1 · 3,6)/(ΣIпп · ρпн · Cр) = -28 + (4059·3,6)/(540·1,4·1) = -8,8 ºС.

В качестве второй ступени утилизации теплоты вытяжного воздуха используется холодильная машина (х.м.), работающая зимой в режиме теплового насоса (ТНУ). Во втором, по ходу вытяжного воздуха, теплообменнике по трубкам циркулирует антифриз, охлажденный в испарителе х.м. Расчетный режим охлаждения вытяжного воздуха с tyx2 = 5 ºС, Iух2= 18 кДж/кг до tух3= —4 ºС, Iух3 = 3 кДж/кг.

Вычисляем количество тепла, отведенного от вытяжного воздуха во второй ступени:

qх.м = qт.у2 = 540 · 1,28 · (18-3)/3,6 = 2880Вт.

В испарителе температура испарения t0 = —7 ºС, и электрический коэффициент преобразования электроэнергии в холод(обычно называемый холодильным коэффициентом) равен ηх.ком = 1,9 кВт/кВт. Расход электроэнергии на привод компрессора будет:

Nком = qх.мх.ком  = 2,88/1,9 = 1,5 кВт.

Извлеченное тепло из вытяжного воздуха плюс затраченная электроэнергия на привод компрессора поступает с горячим холодильным агентом в конденсатор х.м. и передается на нагрев антифриза, циркулирующего между конденсатором х.м. и вторым теплообменником в приточном агрегате. Определяем нагрев приточного наружного воздуха во второй ступени утилизации:

tпн3 = tпн2 + ((ρм.у2+Nком) · 3,6)/(ΣIпн · ρпн · Ср) = -8,8 + ((2880+1500) · 3,6)/(540 · 1,28 · 1) = 14ºС.

Перепад температур по антифризу составляет 6 °С, а теплоемкость антифриза — 3,6 кДж/кг·c. Вычисляем затраты электроэнергии на работу насосов циркуляции антифриза в первой и второй ступенях утилизации при КПД насоса ηн = 0,4. Расход антифриза в первой ступени утилизации:

qаф1 = (qм.у1 · 3,6)/(Δtаф · Саф) = 678 кг/час.

Гидравлическое сопротивление сети 60 кПа. Вычисляем затраты электроэнергии на привод насоса первой ступени утилизации:

Nнас.ул = (678 · 60)/(1050 · 3600 · 0,4) = 0,03 кВт.

Расход антифриза через испаритель х.м. в режиме ТНУ:

qаф.ис = (2880 · 3,6)/(6 · 3,6) = 480 кг/час;

Nнас.ул = (480 · 60)/(1050 · 3600 · 0,4) = 0,02 кВт.

Расход антифриза через конденсатор х.м. в режиме ТНУ:

qаф.ис = (4380 · 3,6)/(6 · 3,6) = 730 кг/час;

Nнас.ул = (730 · 60)/(1050 · 3600 · 0,4) = 0,03 кВт.

Вычисляем общие затраты электроэнергии в двух ступенях утилизации:

ΣNут = 0,03 + 0,02 + 0,03 + 1,5 = 1,58 кВт·ч = 1580 Вт.

Вычисляем энергетический показатель системы двухступенчатой утилизации теплоты вытяжного воздуха на нагрев приточного наружного воздуха:

η2-хст.у = 5,3.

На догрев приточного наружного воздуха с tпн.x3 = 14 °С до tвх = 20 °С ночью требуется тепла:

qт.пн= 540 · 1,22 · 1 · (20 -14)/3,6= 1098 Вт.

На покрытие трансмиссионных те-плопотерь в ночные часы потребуется тепла:

qт.пот.ноч = 7000 — 16200 = 5380 Вт.

Расчетная потребность в тепле в ночные часы на отопление и вентиляцию коттеджа:

Σqт.ов = 5380 + 1098 = 6478 кВт.

Это требует нагрева эжектируемо-го воздуха в теплообменнике ДЭ до температуры:

tв.э.т = tв.э + (Σqm.ов · 3,6)/(ΣIв.э · ρв.э · Ср) = 20 + (6478 · 3,6)/(1620 · 1,2 · 1) = 32 ºС.

За последние годы в зимний период года расчетные температуры наружного воздуха tнх = —28 ºС в климате Москвы не наблюдаются. Средняя отопительная температура для климата Москвы tн.ср.от = —3,1 ºС. При штатных температурах наружного воздуха расчетная тепловая производительность теплового насоса будет излишней. Предлагается использовать теплоту конденсации рабочего агента для нагрева воды на нужды ГВС.

В теплый период года температура испарения холодильного агента t0 = 8 ºС и температура tн = 50 ºС. В этом режиме энергетический показатель работы холодильной машины равен ηх.м = 3,4.

В испарителе холодильной машины для охлаждения антифриза вырабатывается холода:

qх.ис.лето = Nх.ком · ηх.м  = 1,5 · 3,4 = 5,1 кВт.

В конденсаторе холодильной машины вырабатывается в этом режиме тепло:

qт.кон.лето = qх.ис.лето + Nх.ком = 5,1 + 1,5 = 6,6 кВт.

Летом водопроводная вода имеет температуру 15 ºС, и теплом конденсации ее можно нагреть до 45 ºС. Вычисляем количество нагреваемой воды летом от теплоты конденсации рабочего агента холодильной машины:

qт.w.вод = (qт.кон.лето · 3,6)/((45-15)· 4,2) = (6600 · 3,6)/(30·4,2) = 189 кг/час.

Суточный расчетный расход воды на ГВС выше вычислен в 840 кг/сут. При работе холодильной машины в системе «Элита» в летнем режиме нагрев суточного расхода водопроводной воды на ГВС будет обеспечен за время:

τх.м.ГВ = 840/189 = 4,5 часа.

Рационально в системе ГВС применить два бака-аккумулятора по 500 кг емкости каждый с концевым электронагревателем мощностью 15 кВт. На догрев расчетного часового расхода воды в системе ГВС в 840 • 0,3 = 252 кг/час потребуется затрат электроэнергии:

NГВ = 252 · 4,2 · (60-45)/3,6 = 4410 Вт.

Всего на периоды ГВС в сутки в баках-аккумуляторах будет затрачено электроэнергии на догрев суточного расхода воды:

ΣNГВ = 840 · 4,2 · (60-45)/3,6 = 14700 Вт/сут.

В традиционной схеме с газовым котлом на нужды суточного ГВС потребуется тепла:

ΣqГВ = 840 · 4,2 · (60-15)/3,6 = 44100Вт/изб.

Сокращение затрат энергии на нужды ГВС летом достигается в 3,3 раза:

14700/4410 = 3,3.

Для традиционного охлаждения шести жилых комнат коттеджа сплит-системами потребуется 6 местных воздухоохладителей, вентиляторы которых потребляют 0,6 кВт·ч электроэнергии. Два компрессорноконденсаторных блока потребляют в час электроэнергии 4,4 кВт·ч. Общее потребление электроэнергии на охлаждение помещений коттеджа: 4,4 + 0,6 = 5 кВт·ч.
В системе «Элита» на работу приточного и вытяжного вентиляторов затрачивается электроэнергии при КПД вентилятора 0,4 и сопротивлении приточной сети 1,1 кПа и вытяжной сети 0,8 кПа:

приточный вентилятор

Nвн.пн = (540 · 1,1)/(3600 · 0,4) = 0,5 кВт·ч

вытяжной вентилятор

Nвн.у = (540 · 0,8)/(3600 · 0,4) = 0,4 кВт·ч

Общие часовые затраты электроэнергии в системе «Элита»:

ΣNэл = Nком + Nнас + Nвн.пн + Nв.у = 1,5 + (0,03+0,02) + 0,5 + 0,4 = 2,45 кВт·ч

По сравнению с традиционной системой охлаждения помещений от автономных кондиционеров расход электроэнергии снижен:

5/2,45 = 2 раза.

Применение системы «Элита» обеспечивает круглогодовое поддержание комфортных параметров воздуха в жилых комнатах коттеджа с затратой тепла на отопление и вентиляцию в 2,6 раза меньше по сравнению с традиционными системами отопления и естественной приточновытяжной вентиляцией.

В теплый период года применение системы «Элита» вместо традиционных сплит-систем позволяет сократить затраты электроэнергии на охлаждение помещений в 2 раза, а использование теплоты конденсации рабочего агента холодильной машины позволяет в 3,3 раза сократить расход энергии на систему ГВС коттеджа.

О.Я. Кокорин, д.т.н., проф., ст. научный консультант,
И.А. Лимонтов, руководитель направления
«Энергосберегающие климатические системы»,
ЗАО «Обитель» (Москва)

Также читайте:

Оконная фурнитура | Двери межкомнатные | Деревянные окна | Фурнитура для межкомнатных дверей