Статья подготовлена на основе материалов сборника докладов VI Международной научно-технической конференции "Теоретические основы теплогазоснабжения и вентиляции" НИУ МГСУ.

Представленный анализ методов создания и поддержания теплового режима помещений в холодный период года не является альтернативой общепринятым и апробированным практикой методикам расчёта, конструирования и эксплуатации систем отопления. Рассмотрены пути повышения энергоэффективности на стадиях проектирования и эксплуатации систем теплообеспечения зданий.

Физический смысл теплового баланса помещений в холодный период года заключается в поддержании расчётной температуры внутреннего воздуха системами отопления.

Тепловой баланс составляется для расчётных условий, при которых возникает наибольший дефицит теплоты ΔQ, показывающий количественную характеристику мощности системы отопления:

Расчётная мощность систем отопления. 1/2016. Фото 1

где Qогр — потери теплоты через наружные ограждения; Qин — расход теплоты на нагрев инфильтрационного воздуха; Qт-б — технологические или бытовые поступления (расходы) теплоты. Технологические или бытовые поступления (расходы) теплоты Q^ для промышленных зданий в формуле (1) логично определять для периодов технологических циклов с наименьшими тепловыделениями.

При отсутствии в квартирах жильцов (а в общественных зданиях — обслуживающего персонала) какие-либо дополнительные тепловыделения Qт-б отсутствуют, а расчётные температурные параметры воздуха должны поддерживаться именно в этих условиях. Поэтому зависимость (1) для жилых и общественных зданий должна иметь вид:

Расчётная мощность систем отопления. 1/2016. Фото 2

В сельскохозяйственных зданиях животные, птицы и хранящееся сочное растительное сырье в процессе своей жизнедеятельности выделяют явную теплоту. Рациональный подбор теплофизических характеристик наружных ограждений таких помещений за счёт утилизации явной теплоты позволяет отказаться от искусственно генерируемой теплоты. Поэтому для них Qот = 0.

Потери теплоты через наружные ограждения Qогр при расчёте тепловой мощности систем отопления определяются как сумма потерь через все ограждения следующим образом:

Расчётная мощность систем отопления. 1/2016. Фото 3

причём расшифровка обозначений в (2) приведена в статье далее.

Не претендуя на полноту освещения всех вопросов по эффективному использованию теплоты, рассмотрим соответствие закономерностей её переноса некоторым современным рекомендациям.

Физический смысл теплового баланса помещений в холодный период года заключается в поддержании расчётной температуры внутреннего воздуха системами отопления. Тепловой баланс составляется для расчётных условий, при которых возникает наибольший дефицит теплоты

Расчётная площадь ограждающих конструкций А2] вычисляется с соблюдением определённых условно принятых правил обмера, которые стабильны с первой половины ХХ века.

Значения коэффициента n, понижающего расчётную разность температуры, приведены в нормах. Термодинамическая основа коэффициента n показывает полноту использования энергетического потенциала теплоносителя системами отопления.

Следует внести в нормативы значения коэффициента n для многоквартирных домов, например: лифтовые холлы домов с наружными пожарными лестницами; для застеклённых лоджий и т.п.

Разность температуры внутреннего tв и наружного tн5 (холодной пятидневки) воздуха определяет максимальную величину переноса теплоты из помещения в атмосферу. Менее изученным является расчёт потерь или поступлений теплоты через внутренние ограждения смежных помещений. В литературе отсутствуют теплофизические или экономические объяснения снижению существующей ранее разности температуры (от 5 до 3 °C). Следствием этого является возникновение расчётных тупиковых ситуаций, например, нестационарный по функциональному назначению температурный режим ванных (tв = 25 °C) и окружающих помещений (tв = 20 °C).

Определение добавок к основным потерям теплоты помещений (ΣΒ, доли) относится до настоящего времени к наименее изученному вопросу:

Расчётная мощность систем отопления. 1/2016. Фото 4

Принятие существующих добавок на ориентацию по сторонам горизонта βст.г на все стороны, кроме юга и юго-запада, объясняется уменьшением количества получаемой лучистой энергии и более низкой температурой поверхностей вертикальных наружных ограждений. Реально наиболее холодный период суток приходится на ночные часы при отсутствии лучистого теплопритока.

Расчётная мощность систем отопления. 1/2016. Фото 5

Данные добавки считаются традиционными, однако они противоречат физическим закономерностям определения максимального дефицита теплоты в помещениях. Они не должны учитываться при расчётах мощности систем отопления, то есть Βст.г = 0.

При определении добавок на "врывание" наружного воздуха Βн.д в момент открывания наружных дверей, не оборудованных воздушно-тепловыми завесами, следует учитывать два обстоятельства. Во-первых, в современных многоквартирных жилых и в общественных зданиях традиционные внутренние лестничные клетки или отсутствуют, или их ограждения непосредственно не контактируют с атмосферой. Для таких зданий Βн.д = 0. Во-вторых, общепринятый термин "кратковременное открывание дверей" (частота открывания дверей) зависит в жилых зданиях от количества проживающих в подъезде, а в общественных — от количества посетителей. Этот факт следует конкретизировать непосредственно для количественного обоснования величины Βн.д. Имеются предложения для общественных зданий принимать значение Βн.д = 5-6 [2].

Отсутствие в нормативной и справочной литературе конкретных значений добавок на высоту помещений гражданских зданий Βt вызывает необходимость проведения расчётов температуры воздуха по высоте помещений различного назначения, что снижает точность расчётов дефицита теплоты.

Сопротивления теплопередаче наружных ограждающих конструкций Ro2-°С/Вт] является основной теплотехнической характеристикой при расчёте элементов конструкций теплового контура зданий. Величина Ro глади непрозрачных конструкций должна быть не менее минимально допустимого по санитарным нормам требуемого сопротивления теплопередаче Roтр, то есть RoRoтр. Данное условие — необходимое, но недостаточное из-за отсутствия экономических показателей теплозащитных характеристик ограждений, которые определяются значениями оптимального сопротивления теплопередаче Roопт. Если RoоптRoтр, то выполняются и санитарные, и экономические требования.

Требуемое сопротивление теплопередаче Roтр равно:

Расчётная мощность систем отопления. 1/2016. Фото 6

Значения Roтр окон и балконных дверей, витрин и витражей, фонарей, а также наружных дверей и ворот подробно рассмотрены и обоснованы в нормативной и справочной литературе. Основной регламентирующей величиной в формуле (4) является разность температуры воздуха tв и внутренней поверхности τв ограждения Δtн = (tв - τв), которая для различных помещений с учётом санитарных требований и недопустимости конденсации влаги на поверхностях приведена в [3].

Экономически целесообразный предел снижения потерь теплоты за счёт дополнительного утепления наружных ограждений сводится к нахождению значений минимальных приведённых затрат, то есть к определению оптимального сопротивления теплопередаче Roтр.

Экономически целесообразный предел снижения потерь теплоты за счёт дополнительного утепления наружных ограждений сводится к нахождению значений минимальных приведённых затрат

Профессором Л. Д. Богуславским решены задачи нахождения значений Roтр наружных ограждений зданий любой сложности [4, 5]. Они чётко прослеживают динамику затрат во времени на системы отопления, отчисления на амортизацию и текущий ремонт, изменения стоимости тепловой энергии и другие факторы.

С некоторыми упрощениями в конечном виде оптимальное сопротивление теплопередаче равно:

Расчётная мощность систем отопления. 1/2016. Фото 7

где tо.п и nо.п — средняя температура [°C] и продолжительность [ч/год] отопительного периода; Ст — стоимость теплоты, руб/Вт-ч; T — нормативный срок окупаемости капитальных вложений, 1/год; λиз — коэффициент теплопроводности тепловой изоляции, Вт/(м-°С); Сиз — стоимость тепловой изоляции, руб/м3. Таким образом, имеется разработанная, физически и экономически обоснованная, апробированная практикой и понятная для инвесторов методология оптимизации теплотехнических характеристик наружных ограждений зданий.

Поэтому странно и совершенно необоснованно звучит положение, высказанное в редакционной статье журнала АВОК об отсутствии каких-либо отечественных научных и практических разработок по созданию энергоэффективного теплового контура зданий [6]: "...было решение “сверху" о необходимости повышения теплозащиты зданий и экономии топливно-энергетических ресурсов, и обосновать требуемое директивное повышение экономическими расчётами не представляется возможным... необходимые показатели для экономических расчётов отсутствуют... И пора создать научно обоснованную методологию определения уровня теплозащиты здания на основе экономической целесообразности...".

Расчётная мощность систем отопления. 1/2016. Фото 8

Градусо-сутки отопительного периода. В СНиП "Тепловая защита зданий" [3] представлена трактовка оптимизации коэффициента теплопередачи (сопротивления теплопередаче) теплового контура зданий. Там же во введении говорится о мерах ". по сокращению расхода тепловой и электрической энергии путём автоматического управления и регулирования оборудования и инженерных систем в целом.". Прежде чем перейти к анализу предлагаемого нового варианта оптимизации сопротивления теплопередаче ограждений, укажем на ошибочность или небрежность в употреблении понятий в приведённом утверждении. Расход тепловой энергии Qот — первичная величина, которая задана в соответствии с расчётом для поддержания требуемого температурного режима в помещении. Любое управление или регулирование оборудования и инженерных систем в течение отопительного периода является только методом борьбы с перерасходом тепловой энергии в процессе неэффективной эксплуатации систем теплообеспечения зданий.

Рекомендовано [3] нахождение величины Roтр практически для всех видов зданий и сооружений принимать по табличным данным в зависимости от градусо-суток отопительного периода (ГСОП) района строительства:

Расчётная мощность систем отопления. 1/2016. Фото 9

По своей физической сущности величина ГСОП является одной из интегральных характеристик тепловой производительности системы отопления здания за отопительный период. На рис. 1 видно соотношение фигур, когда количественно величина ГСОП (площадь прямоугольника g-h-i-k) равна площади фигуры a-b-c-d-e-f-a, показывающей динамику расхода теплоты за отопительный период.

Пытаясь показать значимость разработанного СНиП [3], его авторы во введении приводят странную по научному, техническому и инженерному содержанию фразу, ни в коей мере не соответствующую нормативному документу: "Нормы по тепловой защите зданий гармонизированы с аналогичными зарубежными нормами развитых стран". Как понимать основное слово предложения "гармонизировать" в научной или инженерной деятельности? А какие станы считать "развитыми": тёплую Италию, относительно холодные Скандинавию и США или Китай с Индией?

Температура холодной пятидневки tн5, а не средняя температура отопительного периода tо.п определяет суровость или мягкость холодного периода года. Поэтому полученные на основе tо.п величины ГСОП не могут влиять на нормирование или конструктивное исполнение теплового контура зданий.

Значения требуемого сопротивления теплопередаче Roтр приведённые в [3], линейно увеличиваются пропорционально ГСОП. Однако в тепловой баланс при определении мощности систем отопления входят затраты теплоты на нагрев инфильтрационного воздуха. Поэтому пропорциональность теплозащитных характеристик ограждений и значений ГСОП не является обоснованной, как физически, так и математически. Потери теплоты через ограждения связаны с их сопротивлением теплопередаче гиперболической зависимостью и повышение величины Rо целесообразно лишь до определённого предела.

Например, увеличение Rо наружных стен в животноводческих зданиях (т.п. №801-99) в два раза (с 1,03 до 2,06 м2-°С/ Вт) приводит к сокращению общих потерь теплоты здания на 2,6 %. Дальнейшее увеличение с 2,06 до 3,09 — к сокращение потерь лишь на 0,9 %. Повышение теплозащиты покрытия с 1,36 до 2,72 м2-°С/Вт для того же коровника снижает общие потери теплоты здания на 6,7 %, а при дальнейшем увеличении с 2,72 до 4,08 — на 2,4 % [7].

Величина ГСОП не может являться основополагающей при нормировании теплотехнических показателей теплового контура зданий. Отсутствует физическая и логическая взаимосвязь процессов переноса теплоты через ограждения с климатическими условиями местности при формировании расчётного дефицита теплоты в помещениях в холодный период года. Этот тезис подтверждает проведённый технико-экономический анализ.

Используя статистические данные [8], получен для 17-этажного четырёхподъездного многоквартирного дома сводный график стоимости тепловой энергии по максимальному тарифу Ст [тыс. руб/ Гкал] и требуемых значений Roтр в порядке возрастания ГСОП для 72 регионов страны от Махачкалы до Якутска (рис. 2). Результаты показывают неприемлемость методики определения Roтр по ГСОП, так как близкие по значениям ГСОП в различных климатических и географических регионах имеют принципиальное отличие в стоимости тепловой энергии.

Например, в Сыктывкаре величина Ст примерно в три раза ниже, чем в Красноярске (разница ГСОП ≈ 10 °С-сут/год), в Петропавловске-Камчатском в два раза выше, чем в Нижнем Новгороде (разница ГСОП ≈ 28 °С-сут/год).

Издержки за нерациональный выбор теплозащитных характеристик наружных ограждений в первую очередь ложатся на бюджеты собственников жилых помещений, доля платежей которых на коммунальные выплаты от средней зарплаты возросли в настоящее время по сравнению с 1985 годом с 2,7 % [9] до 10,9 % [10].

Определение расхода теплоты на нагрев инфильтрационного воздуха является чрезвычайно сложной и до настоящего времени не имеющей чёткого методического и инженерного решения задачей. Наиболее полно неопределённость состояния вопроса расчёта тепловой инфильтрационной нагрузки систем отопления сформулирована профессорами В. Н. Богословским и А.Н. Сканави [11]: "При многообразии решений в условиях множества вариантов исходных данных можно всё же наметить определённые закономерности, которые позволяют обобщить полученные решения".

Они указывают на значительные допущения при расчётах и считают приемлемыми ошибки до 15 %.

Расчётная мощность систем отопления. 1/2016. Фото 10

Величина ГСОП не может являться основополагающей при нормировании теплотехнических показателей теплового контура зданий. Отсутствует физическая и логическая взаимосвязь процессов переноса теплоты через ограждения с климатическими условиями местности при формировании расчётного дефицита теплоты в помещениях в холодный период года

Расход теплоты системой отопления на нагревание инфильтрационного воздуха Qhh [Вт] составляет:

Расчётная мощность систем отопления. 1/2016. Фото 11

где ΣGин.i — сумма расходов инфильтрационного воздуха через отдельные ограждения помещения, кг/ч; св — массовая теплоёмкость воздуха ≈~ 1,0 кДж/ (кг-°С)]; 0,28 — переводной коэффициент [1005/3600 ≈ 0,28 Вт-ч/(кг-°С)].

Наиболее сложной при определении величиной в формуле (7) является расход поступающего в помещение наружного воздуха ΣGин.i.

Общий подход к определению поступающего в помещение (инфильтрация) и удаляемого из помещения (эксфильтрация) воздуха заключается в нахождении естественных аэродинамических перепадов давления Δрин.

Интенсивность инфильтрации рассчитывают [12] на действие только гравитационных сил, если Δрv < 0,5Δρg, где Δрv = (cн - сз)vн2ρн/2 — полное ветровое давление [Па] при скорости ветра vн, м/с; сн и сз — аэродинамические коэффициенты с наветренной и заветренной сторон здания; Н — вертикальное расстояние между центрами приточных и вытяжных отверстий, м; Δρ — разность плотностей воздуха снаружи и внутри помещения, кг/м3. Инфильтрация рассчитывается лишь только на действие ветра при условии Δрv > 10HΔρg, на совместное действие гравитационно-ветрового давления — при 0,5HΔρg < Δpv < 10HΔρg.

Рассмотрим наиболее простой случай определения интенсивности инфильтрации воздуха через наружные ограждения одноэтажного здания при совместном воздействии гравитационного и ветрового давлений. Движение воздуха через ограждения основано на физическом эффекте поровой инфильтрации. Тепловой эффект при поровой инфильтрации заключается в возврате трансмиссионных потерь теплоты (до 23,1 %) [7, 13], то есть ограждение превращается в регенеративный теплообменник. В то же время в наружных ограждениях возможен противоположный процесс — эксфильтрация внутреннего воздуха, сопровождающаяся потерями теплоты через ограждения. Это явление вызывает необходимость разработки условий включения всех наружных стен в режим устойчивой инфильтрации за счёт относительно предсказуемого гравитационного давления ΔptI и случайного по величине давления Δpv (рис. 3).

Наименьший перепад давлений для инфильтрации воздуха возникает в верхней плоскости I помещения, составляя ΔptI = hн - ρв)g при ветровом давлении с заветренной стороны Δpvз = cзvн2ρн/2. Чтобы заветренная стена находилась в зоне устойчивой инфильтрации, необходимо суммарное избыточное давление в плоскости I выше нуля: ΔptI + Δpv3) ≥ 0. На рис. 3 точка Б должна совпасть с точкой Д. Такое перемещение за счёт естественных источников возможно при увеличения гравитационного давления, то есть при установке шахты высотой hш: ΔptII = (h + hш)(ρн - ρв)g. Давление, развиваемое шахтой, равно разрежению на заветренной стороне Δpv3 = hшн - ρв)g. С наветренной стороны общее избыточное давление равно (плоскость II):

Расчётная мощность систем отопления. 1/2016. Фото 12

Воздушный баланс помещения в холодный период года при инфильтрации (приток через наружные стены с наветренной стороны Gпрн площадью Ан и с заветренной стороны Gпрз площадью А3, вытяжка через шахту Gш) имеет вид: (Gпрн + Gпрз + Gдоп) = Gш, где Gдоп — инфильтрация воздуха через окна, двери и ворота, кг/ч.

Количество инфильтрующегося воздуха через наружную стену площадью Аст2] составляет:

Расчётная мощность систем отопления. 1/2016. Фото 13

где Rи — сопротивление воздухопроницанию конструкции, (м2-ч-Па)/кг.

Средний перепад давлений у наветренной стены: Δрн.ст = Δрvн + Δрvз + 0,5ΔptI; у заветренной стены: Δpз.ст = 0,5ΔptI.

После всех преобразований формулы (8) получаем в развёрнутом виде зависимости по определению количества наружного воздуха, поступающего в помещение при устойчивой инфильтрации через наветренную Gпрн и заветренную Gпр3 стены:

Расчётная мощность систем отопления. 1/2016. Фото 14

Приведённые исследования показывают, что определение устойчивых характеристик расходов инфильтрующегося воздуха даже для простейшей случая является чрезвычайно сложной задачей.

Расчётная мощность систем отопления. 1/2016. Фото 15

Рассмотрим существующие методы расчёта количества инфильтрирующегося воздуха в помещения различного функционального назначения.

Жилые и общественные здания. Количество инфильтрационного воздуха в жилых зданиях рекомендуется принимать равным большей из двух величин.

При нормируемом удельном расходе воздуха gуд = 3 м3/ч на 1 м2 площади Апом жилых помещений общий расход составляет величину:

Расчётная мощность систем отопления. 1/2016. Фото 16

По другой методике суммарный расход инфильтрационного воздуха зависит от вида и характера неплотностей в наружных ограждениях [11]:

Расчётная мощность систем отопления. 1/2016. Фото 17

где обозначения с индексом 1 относятся к окнам, балконным дверям и фонарям, с индексом 2 — к наружным дверям и воротам, с индексом 3 — к стыкам стеновых панелей; Δp — перепад давления на соответствующем ограждении.

Для наружных дверей и ворот животноводческих зданий рекомендуется принимать Rидв = 0,3 (м2-ч-Па)/кг [7].

Первая методика не связана с физическими явлениями тепломассопереноса и аэродинамики. Во второй методике введено столько допущений, что субъективизм при выборе исходных данных неизбежно приведёт к недопустимым для инженерных расчётов расхождениям в конечных результатах.

В настоящее время всё актуальнее становится вопрос уточнения методики расчёта расхода теплоты на подогрев инфильтрационного воздуха в помещениях с герметичными окнами и внутренними входными дверями. Такие жилые помещения возможно эксплуатировать только при наличии систем механической вентиляции с подогревом наружного приточного воздуха. Расход теплоты на подогрев наружного инфильтрационного воздуха при определении расчётной мощности систем отопления рассматриваемых жилых помещений должен отсутствовать. В противном случае этот расход теплоты учитывается дважды.

Данное важное обстоятельство по реальной экономии теплоты в помещениях с герметичными окнами и дверями не отражено и не регламентируется в существующей нормативной и технической литературе и требует дальнейшего конкретного изучения с получением практических рекомендаций.

Промышленные здания. Помещения промышленных зданий всегда оснащены системами создания и поддержания конкретных параметров микроклимата. Режимные карты эксплуатации отопительно-вентиляционного оборудования переменны в течение суток. Всё это создаёт дополнительные трудности в определении перепадов гравитационно-ветрового давления на наружных ограждениях и не позволяют использовать приведённые выше зависимости нахождения расходов инфильтрационного воздуха.

Отсутствуют методики аналитического расчёта расхода инфильтрационного воздуха для определения мощности систем отопления. При проектировании применяются полученные из практического опыта методы определения величины ΣGин [14]. Несмотря на относительную точность, они учитывают физические процессы явления в зависимости от объёмно-планировочных решений зданий.

Массовый расход воздуха, инфильтрующегося через щели притворов окон, фонарей дверей и ворот, равен:

Расчётная мощность систем отопления. 1/2016. Фото 18

где апр — коэффициент, зависящий от конструкции притворов; Gi — расход воздуха, поступающего через 1,0 м щели в зависимости от средней скорости ветра за три наиболее холодных месяца, кг/ч; l — длина щелей притворов, м.

Значения апр и Gi приведены в [14]. Инфильтрация через притворы открывающихся створок окон, дверей и ворот учитывается в зависимости от направления ветра для частей зданий, обведённых на рис. 4 жирными линиями.

Введение новых показателей по нормированию и расчёту теплофизических и конструктивных показателей теплового контура зданий возможно только после проведения многоплановых научных исследований и практического подтверждения следующих предлагаемых преимуществ: технических; теплофизических; а также экономических

Производственные сельскохозяйственные здания. В помещениях таких зданий температурный режим в холодный период года поддерживается за счёт физиологических или биологических явных тепловыделений животных, птиц и хранящегося сочного растительного сырья. Системы отопления в классическом виде с использованием искусственно генерируемой теплоты отсутствуют (Qот = 0). По технологиям содержания птиц, хранения биологически активной продукции здания выполняются без окон, ворота снабжены тамбурами, то есть в них инфильтрация отсутствует. При наличии инфильтрации через окна в помещениях содержания крупного рогатого скота и свиней используется методика расчёта горизонтальной вентиляции за счёт ветрового давления через специальные щелевидные регулируемые по воздухопроницаемости проёмы в продольных стенах помещений. Методика расчёта инфильтрации сельскохозяйственных зданий приведена в [15].

Итак, повышение энергоэффективности систем теплообеспечения зданий

различного функционального назначения при решении вопросов поддержания допустимых параметров микроклимата помещений должно основываться на соблюдении основных физических явлений переноса теплоты и массы.

Введение новых показателей по нормированию и расчёту теплофизических и конструктивных показателей теплового контура зданий возможно только после проведения многоплановых научных исследований и практического подтверждения предлагаемых преимуществ: технических; теплофизических; а также экономических.

Расчётная мощность систем отопления. 1/2016. Фото 19