1. Введение

В Российской Федерации за последние годы значительно активизировалась работа в вопросах энергосбережения и повышения энергетической эффективности [1–3]. На государственном уровне установлены требования по организации энергетического аудита, составлению энергетических паспортов, достижению определённого класса энергетической эффективности строительных объектов (Федеральный закон от 23.11.2009 №261-ФЗ .Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации). Остаётся без ответа вопрос: на сколько и как на самом деле повысилась энергетическая эффективность объекта, за счёт каких мероприятий и каковы дальнейшие пути повышения энергоэффективности?

Раздел 11 Свода Правил 60.13330.2012 определяет необходимость использования альтернативных источников энергии в инженерных системах зданий и сооружений. СП 50.13330.2012 устанавливает нормативные требования к строительству зданий с учётом обеспечения климатических условий работы технического оборудования при минимальном расходе теплоты за отопительный период.

Снижение расходов энергии в системах инженерного обеспечения зданий теплотой основывается на комплексном учёте факторов, определяющих возможности экономии [4]. Среди них — расчёт потоков энергии и вещества внутри зданий и на границах ограждающих конструкций с дальнейшим их перераспределением. Определённые возможности для этого открываются при обоснованном применении тепловых насосов (ТН) [5].

На примере торгово-развлекательного центра в городе Санкт-Петербурге проводятся экспериментальные исследования внутренней инженерной системы с применением метода расчёта энергопотребления с одновременным учётом теплоты и электроэнергии для выявления обоснованности применения ТН на этом объекте.

2. Цель работы

Обосновать метод расчёта энергопотребления внутренних инженерных сетей с одновременным учётом теплоты и электроэнергии для научно-обоснованного выбора проектного решения для производственных и общественных зданий и сооружений со значительными внутренними теплопоступлениями [13–15].

3. Характеристика объекта

Рассматриваемый в качестве примера крупный объект является одним из крупнейших торгово-развлекательных центров в городской черте. ТРК расположен на одной из главных магистралей города в 7 км от центра и недалеко от аэропорта. Площадь ТРК составляет 80 тыс. м².

4. Характеристика системы

В крупных зданиях и сооружениях применяются тепловые системы с подачей приточного воздуха и теплоносителей с определёнными температурами.

В качестве устройств для поддержания требуемой температуры внутреннего воздуха (ГОСТ 30494–96. Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях.) применяют индивидуальные доводчики (ИД). К ним относятся, например, вентиляторные доводчики и приборы отопления в составе централизованной системы отопления. В зависимости от тепловой нагрузки помещения, внутренний воздух в теплообменнике ИД охлаждается или нагревается.

Схема тепловой системы с использованием приборов отопления и вентиляторных доводчиков в качестве индивидуальных доводчиков представлена на рис. 1. Данная схема не позволяет перераспределить внутренние теплопоступления, к которым относятся теплопоступления от солнечной радиации, теплопоступления от посетителей, от тепловыделяющего оборудования в зонах общественного питания.

Расчёт годового энергопотребления крупного объекта с тепловыми насосами, включёнными в единый контур. 6/2018. Фото 1

Для улучшения технико-экономических характеристик крупных объектов можно применить децентрализованные тепловые сети. Они имеют техническую возможность осуществлять перенос теплоты из помещений, которые нужно охлаждать, в помещения с недостатком теплоты. Для периодического получения холода или теплоты в каждом помещении целесообразно использовать ТН.

В этом случае предлагаемая децентрализованная система круглогодичного отопления и охлаждения выглядит так — рис. 2. Поддержание температуры воды в течение года в диапазоне от 18 до 35 °C достигается с помощью дополнительных источника теплоты, включающегося при минимальной температуре рабочего диапазона, и устройств, отводящих тепло при максимальной температуре (градирни или холодильной машины).

Расчёт годового энергопотребления крупного объекта с тепловыми насосами, включёнными в единый контур. 6/2018. Фото 2

Такая схема обеспечивает возможность перераспределения внутренних теплопоступлений, в том числе индивидуально для каждого помещения.

5. Метод расчёта энергопотребления внутренних инженерных сетей с одновременным учётом теплоты и электроэнергии

5.1. Допущения и ограничения

Существенны следующие допущения и ограничения:

1. Под традиционной системой для обогрева объекта понимается система с приборами отопления, включёнными в первый гидравлический контур и потребляющая только теплоту. Для удаления теплоизбытков на объекте рассматривается система с вентиляторными доводчиками, включёнными во второй гидравлический контур.

2. В качестве предлагаемой системы, применяемой одновременно для обогрева и отвода теплоизбытков на объекте, рассматривается система с единым контуром ТН. Электрическая энергия расходуется на привод компрессорного оборудования ТН.

3. На диапазон температур, в которых может работать ТН в режиме непосредственного отопления объекта, наложены технические ограничения, связанные с теплофизическими свойствами применяемых хладонов (рабочих тел). При выходе за верхнюю границу температуры конденсации хладона в конденсаторе ТН задействуется традиционная система отопления.

4. При принятом способе регулирования теплообмена по качеству подводимого теплоносителя, в тепловой системе перепад давления Δp постоянен и только характеризует сам объект. Электрическая энергия для привода насосного оборудования, поддерживающего постоянный напор в гидравлических контурах, никак не учитывается.

5. Расчёт годового энергопотребления производится по значению общего поставленного количества энергии, которое складывается из теплоты и электроэнергии, выраженной в тепловых единицах; для этого в данной работе вводится коэффициент пересчёта электрической энергии в теплоту по степени затрат в денежном выражении n. Например, если тарифы на покупку единицы энергии (Комитет по тарифам Санкт-Петербурга. Распоряжения от 27.12.2017 №276-р и 19.12.2016 №238-р.) отличаются в n раз, то, применив этот коэффициент, можно оценить общее приведённое потребление теплоэлектроэнергии, выраженное в единицах теплоты.

6. Исходными данными для расчёта поставленной энергии, будут следующие заданные характеристики объекта расчёта: tвн — температура внутреннего воздуха рассматриваемого помещения, °C; Gрец — расход рециркуляционного внутреннего воздуха через индивидуальный доводчик или ТН, кг/ч; twkS — температура теплоносителя на выходе из ТН, работающего в расчётный час на отопление, принимается равной нижнему значению теплоносителя в гидравлическом контуре с ТН (17,5 °C); twkN — температура теплоносителя на выходе из ТН, работающего в расчётный час на охлаждение, принимается равной верхнему значению теплоносителя в гидравлическом контуре с ТН (22,5 °C); tw — средняя температура теплоносителя в едином гидравлическом контуре с ТН, при которой система находится в равновесном состоянии, то есть потребление дополнительного тепла или отвод избыточного тепла для единого гидравлического контура с ТН не требуется, равна 20 °C.

Значение полного перепада температуры ΔΘ (температуры среды на входе в теплообменник ТН и температуры кипения хладагента в ТН) при расчёте температуры кипения в ТН является постоянным и равным 8 °C.

7. Удельные характеристики цикла

ТН определены по lg(P)–i-диаграмме используемого хладона в качестве рабочего тела в ТН, их значения сведены в табл. 1 и 2.

Расчёт годового энергопотребления крупного объекта с тепловыми насосами, включёнными в единый контур. 6/2018. Фото 3

5.2. Метод

В основу метода положено условие баланса тепловой мощности, которое можно записать следующим образом:

Qiид = ΣQх – ΣQт, (1)

где ΣQт — суммарные теплопоступления в расчётный час, Вт; ΣQх — суммарные теплопотери в расчётный час, Вт.

Для традиционной системы (с индивидуальными доводчиками — вентиляторными доводчиками и централизованной системой отопления) общее поставленное количество энергии Qтрад складывается из теплоты (Qт)год и электроэнергии, выраженной в тепловых единицах:

Q = (Qт)год + (Nэ)годn, (2)

где (Qт)год — тепловая энергия, поступающая в систему отопления, кВт/год; (Nэ)год — электроэнергия, потребляемая компрессором холодильной машины, кВт·ч/год; n — принимается в соответствии с допущением 5.

Для предлагаемой системы (с индивидуальными доводчиками — тепловыми насосами и приборами отопления) общее поставленное количество энергии складывается:

Qпредл = Qсо + Qдоп [(Nэ)год+ (Nтн)год]n, (3)

где Qсо — теплота, поступающая в традиционную систему отопления, кВт/год; Qдоп — дополнительная теплота, поступающая в единый гидравлический контур с ТН, кВт/год; (Nэ)год — электроэнергия, потребляемая компрессором холодильной машины при отводе избыточного тепла из единого гидравлического контура с ТН, кВт·ч/год; (Nтн)год — электроэнергия, потребляемая компрессором ТН, кВт·ч/год; n — принимается в соответствии с допущением 5.

Последовательность расчёта осуществляется в соответствие с блок-схемой, которая представлена на рис. 3.

Расчёт годового энергопотребления крупного объекта с тепловыми насосами, включёнными в единый контур. 6/2018. Фото 4

Исходные данные: известны значение tвн, объёмнопланировочные решения объекта расчёта и его место строительства. Алгоритм:

1. В соответствие с местом строительства объекта расчёта из базы климатических данных выбираются значения энергопоступления на горизонтальную Qiгор и вертикальную Qiверт поверхности ограждения за счёт солнечной радиации, температура наружного воздуха в расчётный час tiнар, средняя месячная температура воздуха в i-м месяце tiсред, абсолютный максимум температуры воздуха в i-м месяце timax, максимальное и среднесуточное значение поверхностной плотности теплового потока суммарной солнечной радиации (прямой и рассеянной) для горизонтальной поверхности, поступающей в i-м месяце Jimax и Jiср, модуль среднего вектора скорости в i-м месяце vi, время максимума суммарной (прямой и рассеянной) солнечной радиации zi.

2. В соответствии с объёмно-планировочными решениями объекта расчёта вводятся значения площадей окон Fок и массивных ограждающих конструкций Fм.

3. В соответствии с предназначением и характером использования или технологическими решениями объекта расчёта принимается значение полных теплопоступлений в помещении Qполн, которые не зависят от климатических параметров и являются только его характеристикой.

4. В соответствии с техническими условиями источника холода на объекте расчёта и с типом применяемого хладагента для него по соответствующей lg(P)–i-диаграмме применяемого хладона вводятся значения теплоты сжатия в компрессоре l, удельной холодопроизводительности qх и удельной теплопроизводительности qк для расчётного диапазона температур, а также значения механического коэффициента полезного действия hмех, индикаторного коэффициента полезного действия hi и коэффициента полезного действия электродвигателя hэл.

Блок предварительного расчёта:

5. По климатическим данным и заданным характеристикам объекта расчёта определяется значение приведённого сопротивления теплопередаче массивной ограждающей конструкции Ri.

6. По значениям из пункт 5 определяется значение теплового потока через массивную ограждающую конструкцию Q.

7. На основе результата из пункт 6 и заданным характеристикам объекта расчёта определяются суммарные теплопоступления за расчётный час ΣQт.

8. По климатическим данным и заданным характеристикам объекта расчёта определяются суммарные теплопотери в расчётный час ΣQх.

9. На основе результата пунктов 7 и 8 определяется расход тепловой энергии, отводимой или подводимой в помещение посредством индивидуального доводчика (вентиляторным доводчиком или прибором отопления) в расчётный час Qид.

Блок расчёта традиционной системы:

10. Если Qид, полученное в пункте 9 имеет положительное значение, то рассчитывается (Qт)год.

11. Если Qид, полученное в пункте 9 имеет отрицательное значение, то рассчитывается (Nэ)год.

12. По рассчитанным значениям (Nэ)год и (Qт)год получают общее приведённое потребление теплоэлектроэнергии для объекта расчёта Qтрад.

Блок расчёта предлагаемой системы:

13. Если Qид, полученное в пункте 9 имеет положительное значение, то рассчитывается (Qт)год, на основе которого оценивается значение температуры воздуха на выходе из ТН tвых.

14. Если значение tвых больше twkS, то вычисляется максимальная доля тепловой энергии Qтн, которую сможет компенсировать тепловой насос при его работе на обогрев.

15. На основе вычисленных в пунктах 13 и 14 значений (Qт)год и Qтн определяется величиной Qco.

16. По полученному в пункте 13 значению tвых вычисляется tк.

17. Если Qид, полученное в пункте 9 имеет отрицательное значение, то рассчитывается требуемая холодопроизводительность теплового насоса, которая соответствует значению (– Qтн) при работе на охлаждение, на основе которого получают tи.

18. В соответствие с получаемыми значениями tк и tи рассчитываются значения индикаторной мощности компрессора ТН при его работе на обогрев N и его работе на охлаждение N.

19. По полученным значениям Qтн, N и N определяются значения расхода теплоносителя по каждому из тепловых насосов, работающих в расчётный час на обогрев Gs и работающих в расчётный час на охлаждение Gn.

20. По полученным в пункте 19 значениям Gs и Gn определяется значение температуры теплоносителя в гидравлическом контуре twk.

21. Если twk меньше tw (по допущению 6), то определяется значение Qдоп.

22. Если twk больше tw (по допущению 6), то определяется значение теплоты, которую необходимо отвести из единого контура посредством холодильной машины Qчил, на основе которого получают (Nэ)год.

23. По значениям N и N, полученным в пункте 19, определяют (Nтн)год.

24. По рассчитанным значениям Qco, Qдоп и (Nэ)год и (Nтн)год получают общее поставленное количество энергии для объекта расчёта Qпредл.

Сравнение результатов расчёта

25. Если полученное значение Qпредл меньше Qтрад, полученного в пункт 12, то применение тепловых сетей с единым контуром теплового насоса целесообразно на объекте расчёта.

30. Если полученное значение Qпредл больше Qтрад, полученного в пункте 12, то применение тепловых сетей с единым контуром теплового насоса нецелесообразно на объекте расчёта.

6. Апробация метода

Для оценки достоверности полученных результатов был проведён эксперимент на объекте. На одно из ответвлений тепловой сети с единым контуром ТН был установлен тепловычислитель СПТ943.1, который обеспечивал измерение объёма, температуры и давления теплоносителя в этом ответвлении контура и вычислял количества теплоты, массы и средних значений температуры и давления, а также часовые, суточные и месячные значения теплоты, массы, объёма, средней температуры, средней разности температур и среднего давления. Перечисленные параметры рассчитывались по встроенным алгоритмам и архивировались. Архивная информация с тепловычислителя была по окончании эксперимента передана на переносной компьютер, подключаемый к оптическому порту с помощью адаптера. На основании проведённых замеров в течение одного года полученные суммарные значения затрачиваемого объектом количества теплоты, поступившей в ответвление тепловой сети с единым контуром ТН, составили 8200 кВт за год.

Рассчитав по предложенному методу энергопотребление для выбранного в качестве примера объекта (пункт 3), было установлено, что количество теплоты, потребляемой объектом от городских тепловых сетей в течении года составляет 8358 кВт. А количество полной поставленной энергии, выраженное в тепловых единицах, равно 248 007 кВт, что на 113 356 кВт меньше, чем было бы при применении традиционной системы (рис. 4).

Расчёт годового энергопотребления крупного объекта с тепловыми насосами, включёнными в единый контур. 6/2018. Фото 5

7. Выводы

Сравнение двух схем по предложенному методу показало, что расчёт энергопотребления теплоэнергетических сетей с одновременным учётом теплоты и электроэнергии, потребляемой крупным объектом, позволяет провести научно-обоснованный выбор схемного решения. Это подтверждает применимость в инженерной практике данного метода в целях сбережения энергетических ресурсов систем и установок, одновременно использующих теплоту и электроэнергию.

До настоящего времени методов расчёта годового энергопотребления внутренних теплоэнергетических сетей, отличающихся одновременным учётом теплоты и электроэнергии и позволяющих проводить обоснованный выбор схемного решения сети с единым контуром теплонаносных установок, представлено не было. Впервые разработаны имитационная модель и метод расчёта энергопотребления теплоэнергетических сетей с одновременным учётом теплоты и электроэнергии, позволяющих провести научно-обоснованный выбор схемного решения.

Установлена адекватность имитационной модели путём сопоставления натурных и расчётных показателей потребления теплоты в течение года на объекте. Выявлено, что количество теплоты, потребляемой объектом от городских теплосетей в течении года, составляет 8200 кВт за год. Сопоставимый результат получен и при расчёте в соответствии с методом расчёта энергопотребления внутренних инженерных сетей с одновременным учётом теплоты и электроэнергии. В этом случае количество теплоты оказывается равным 8358 кВт за год. Относительная погрешность измерения составила 1,93 %.

Кроме того, появляется возможность использования результатов сравнения значений годового энергопотребления для внутренних инженерных сетей крупного объекта при разработке программ энергосбережения предприятий, совместно потребляющих теплоту и холод.

Разработанный метод также позволяет произвести расчёт годового потребления общей поставленной энергии, в том числе и для традиционного схемного решения.

В дальнейших исследованиях целесообразно провести расчёты для других хладагентов и при других значениях полного перепада температуры; учесть электроэнергию для привода насосного оборудования, поддерживающего постоянный напор в гидравлических контурах.