Plumbing. Heating. Conditioning. Energy Efficiency.

Оценка температурной эффективности утилизации теплоты в системах горячего водоснабжения

(1) (1918)
Опубликовано в журнале СОК №11 | 2016

Энергосбережение при эксплуатации зданий и их инженерных систем является очень актуальной проблемой. Это связано с постепенным исчерпанием запасов ископаемого органического топлива и одновременно со значительной долей, которую занимает расход топлива на нужды жилищно-коммунального хозяйства (ЖКХ) в общем энергетическом балансе России.

Энергосбережение при эксплуатации зданий и их инженерных систем является очень актуальной проблемой. Это связано с постепенным исчерпанием запасов ископаемого органического топлива и одновременно со значительной долей, которую занимает расход топлива на нужды жилищно-коммунального хозяйства (ЖКХ) в общем энергетическом балансе России. Данные обстоятельства, как известно, послужили основой принятия в 2009 году Федерального закона РФ «Об энергосбережении...» №261-ФЗ и рассматриваются в многочисленных работах ряда отечественных и зарубежных авторов [1-6].

Одним из наиболее крупных потребителей тепловой энергии в ЖКХ являются системы горячего водоснабжения (ГВС). Снижение энергопотребления на подогрев воды в системах ГВС жилых зданий в настоящее время может осуществляться различными способами, предусматривающими как снижение водопотребления за счёт установки соответствующей водоразборной арматуры и систем автоматического регулирования, так и сокращение интервала температур, на который осуществляется подогрев за счёт внешнего источника теплоты. К последним методам относится, например, применение для предварительного подогрева теплонасосных установок или аппаратов утилизации теплоты, хотя такие мероприятия пока являются экспериментальными и реализуются только на отдельных показательных объектах [7]. При этом теплоутилизация также может производиться с использованием различных источников, например, теплоты вытяжного воздуха в системе вентиляции, которая в жилых объектах обычно до сих пор проектируется естественной (гравитационной), и поэтому иным способом полезно реализовать эту теплоту весьма затруднительно по конструктивным причинам.

Однако можно представить себе и случай, когда устанавливается водоводяной подогреватель, в котором в качестве греющего теплоносителя применяются канализационные стоки, имеющие достаточно высокую температуру. Разумеется, речь идёт о так называемых «условно-чистых» или «серых» стоках, не включающих крупные частицы, способные загрязнять и вывести из строя теплообменник, — необходимо рассматривать только воду, отводимую от ванн, раковин и рукомойников. Вообще говоря, это требует устройства раздельной системы водоотведения, но технически это не слишком сложная задача, и уже сейчас есть примеры её решения, особенно за рубежом. Причём у подобной схемы есть ещё и то преимущество, что после некоторой местной очистки данные стоки можно использовать в пределах здания повторно для технических целей и тем самым сократить затраты электроэнергии на подачу воды.

Оценка температурной эффективности утилизации теплоты в системах горячего водоснабжения . 11/2016. Фото 1

Попытаемся оценить возможную температурную эффективность такой системы теплоутилизации и уровень достижимого при этом снижения энергопотребления. Будем считать, как это обычно делается, исходную температуру холодной водопроводной воды tх = +5 °C, а нагретой tг = +60 °C. Температуру стоков можно оценить величиной tст = +35 °C, потому что из условий комфортности и безопасности вода после смесителя должна быть нагрета до уровня около tсм = +37 °С, и примерно 2 °С — остывание в отводящих трубопроводах.

Как известно, формула для коэффициента температурной эффективности, в случае использования наиболее часто встречающейся противоточной схемы движения теплоносителей, имеет следующий вид:

Оценка температурной эффективности утилизации теплоты в системах горячего водоснабжения . 11/2016. Фото 2

Здесь NTUmax и NTUmin обозначают большее и меньшее из безразмерных чисел единиц переноса теплоты для греющего и нагреваемого потоков.

Для воды в любом случае:

Оценка температурной эффективности утилизации теплоты в системах горячего водоснабжения . 11/2016. Фото 3

где К — коэффициент теплопередачи теплообменного аппарата, Вт/(м2·К); F — его поверхность теплообмена, принимаемая по характеристикам используемого оборудования, м2; Gw — удельная теплоёмкость воды, cw = 4190 Дж/(кг-К); Gw — массовый расход соответствующего потока, кг/ч.

Для внутренней системы ГВС уровень Gw оценивается исходя из числа жителей и удельного объёмного расхода 100 л/сут. или 0,1 м3/сут. на одного человека в средние сутки для климатического района Москвы — IIB по СП 30.13330.2012 «Внутренний водопровод и канализация зданий. Актуализированная редакция СНиП 2.04.01-85». Например, для одной секции жилого здания по серии П3-1/16, рассмотренного в [8]:

Gгв.ср, = 242 × 0,1 × 1000 = 24 200 кг/сут., где 242 — проектное число жителей в здании [9]; 1000 кг/м3 — плотность воды. Тогда в час максимального водопотребления, исходя из среднего коэффициента часовой неравномерности, равного 2,4:

Gw.г = 24 200 × (2,4/24) = 2420 кг/ч.

Заметим, что величина Gw.г в данном расчёте учитывается полностью, поскольку горячая вода подводится именно к тем водоразборным приборам, стоки от которых удовлетворяют требованиям, позволяющим их использовать для теплоутилизации, в то время как смывные бачки унитазов горячей водой не обеспечиваются. При этом в соответствующей системе водоотведения расход равен сумме расходов горячей и холодной воды, поэтому по уравнению теплового баланса:

Оценка температурной эффективности утилизации теплоты в системах горячего водоснабжения . 11/2016. Фото 4

Параметры K и F можно определить, если известен тип устанавливаемого теплообменника. В настоящее время чаще всего используются пластинчатые подогреватели, поэтому целесообразно рассмотреть расчёт на примере аппарата «Альфа-Лаваль» СВ-51, технические данные которого приводятся в табл. 4 Приложения 8 СП 41-101-95. Его номинальное значение коэффициента теплопередачи К = 7700 Вт/(м2·К), а поверхность теплообмена устанавливается из следующих соображений: поскольку максимальный расход воды для такого теплообменника по данным того же источника равен 8,1 м3/ч, то есть примерно 7950 кг/ч, и при этом наибольшее возможное число пластин составляет 80 штук, следовательно, для нужного нам расхода Gw.max = Gw.x = 4160 кг/ч это число должно быть равно 80 × (4160/7950) = 42.

Ближайшие стандартное количество пластин у аппарата типа СВ-51 составляет 40, поэтому, если площадь одной пластины равна 0,05 м2, получаем, что

F = 0,05 × 40 = 2 м2.

Отсюда:

Оценка температурной эффективности утилизации теплоты в системах горячего водоснабжения . 11/2016. Фото 5

Оценка температурной эффективности утилизации теплоты в системах горячего водоснабжения . 11/2016. Фото 6

Следовательно:

Оценка температурной эффективности утилизации теплоты в системах горячего водоснабжения . 11/2016. Фото 7

Теперь с учётом определения для показателя кэф можно вычислить ориентировочную температуру нагреваемой воды после подогревателя:

Оценка температурной эффективности утилизации теплоты в системах горячего водоснабжения . 11/2016. Фото 8

Соответственно, общий коэффициент снижения энергопотребления за счёт применения рассматриваемого мероприятия будет равен:

Оценка температурной эффективности утилизации теплоты в системах горячего водоснабжения . 11/2016. Фото 9

Это достаточно высокое значение, сопоставимое с уровнем экономии теплоты в обычных системах утилизации теплоты в системах механической вентиляции и кондиционирования воздуха по схеме с промежуточным теплоносителем [9]. Если теперь учесть, что доля ГВС в общем энергетическом балансе жилых зданий весьма велика и в среднем составляет около одной четверти [8], полученная оценка означает, что исследуемая схема теплоутилизации способна сократить энергопотребление таких объектов на величину порядка 12-13 %.

Следует заметить, что, поскольку водопотребление отличается значительной суточной неравномерностью, фактические текущие значения Gw.г и Gw.x в общем случае будут переменными и обычно меньшими, чем те максимально-часовые параметры, для которых выполняется подбор конкретного теплообменного оборудования.

Однако, если пренебречь сравнительно небольшой транспортной задержкой, составляющей не более нескольких десятков секунд, из уравнения материального баланса вытекает, что при этом в любом режиме будет выполняться равенство

Gw.г = Gw.x.

Это приводит к практическому постоянству отношения NTUmax/NTUmin, и при анализе выражения (1) можно показать, что оценка (2) даёт минимально возможный уровень kэф, а с ростом NTUmax и NTUmin, к которому приводит снижение Gw, фактическая эффективность аппарата теплоутилизации будет только возрастать.

Таким образом, вопрос о технической реализации и технико-экономическом обосновании описанного технического решения действительно заслуживает тщательного рассмотрения при проектировании зданий жилого назначения. Перспективы изменения ситуации с обеспеченностью энергетическими ресурсами, по-видимому, рано или поздно заставят это делать не только в отдельных экспериментальных объектах, но и в условиях массовой застройки.

Оценка температурной эффективности утилизации теплоты в системах горячего водоснабжения . 11/2016. Фото 10

Читайте по теме:
Comments
  • 22-12-2016

    Ali

    Работающая схема- рекуперация воздуха. Если рекуперировать тепло каналии получится: а) переморозить коллектора; б) погибнут бактерии в септиках.
    'Зачем нам кузнец?'(с)

    Комментарий полезен?
    2 из 3 пользователей считают этот комментарий полезным
Add a comment

Your name *

Your e-mail *

Your message