Энергоэффективный жилой дом в Москве

В журнале АВОК №3/99 на странице 6 опубликован анонс статьи об энергоэффективном доме, проектируемом для строительства в микрорайоне Никульно-2 Москвы. Напомним, что в соответствии с “Долгосрочной программой энергосбережения в городе Москве” Министерством науки и технологии Российской Федерации и Правительством Москвы выполняется тема “Энергоэффективный жилой дом в Москве”. Цель работы – создание и апробация в натурных условиях технологии энергосбережения, обеспечивающей снижение на 50 % затрат энергии на теплоэнергоснабжение жилого фонда Москвы. Научный руководитель проекта – проф., член-корр. РААСН Табунщиков Ю.А. Головная организация - Российская Ассоциация инженеров АВОК. Организации – соисполнители: АО “Инсолар-Инвест”, Министерство Обороны России, Московский архитектурный институт, АО “Тепло и сила”. Организация – заказчик - Управление топливно-энергетического хозяйства Правительства Москвы.

В качестве базового проектного решения выбран “Проект жилых крупнопанельных домов и блок секций серии 111-355.МО”, разработанный 53 Центральным проектным институтом Министерства Обороны России и являющимся в настоящее время по своим энергосберегающим показателям наиболее перспективным для Московского жилищного строительства. Внедрение разрабатываемого проекта осуществляется на экспериментальном семнадцатиэтажном пятисекционном жилом доме общей площадью 25000 м² серии 111-355.МО. Строительство здания будет осуществлено силами Министерства Обороны России в 2000 году в микрорайоне Никулино-2 Москвы.

Перечень основных энергосберегающих решений, реализуемых на жилом доме в Никулино-2:

• Двухтрубная горизонтальная поквартирная система отопления с теплосчетчиком, установленным на лестничной площадке, с термостатическими вентилями на каждом отопительном приборе, обеспечивающая возможность поквартирного учета и регулирования расхода тепловой энергии и индивидуального регулирования температуры воздуха в помещениях.
• Поквартирная механическая приточно-вытяжная система вентиляции с рекуперативными теплообменниками для утилизации тепла удаляемого вентиляционного воздуха, обеспечивающая нормативный воздухообмен при установке герметичных окон.
• Теплонасосная система горячего водоснабжения, использующая тепло грунта и утилизацию тепла сточных вод и удаляемого вентиляционного воздуха.
• Компьютерная система управления и учета тепло-энергоснабжения дома, работа которой основана на математическом моделировании теплового баланса с учетом фактического энергетического воздействия наружного климата и внутренних тепловыделений.
• Наружные ограждающие конструкции с повышенной теплозащитой.
• Частотно-регулируемый электропривод насосов горячего водоснабжения.
• Энергоэффективные отопительные и осветительные приборы, водоразборная арматура и трубопроводы.

Здесь мы публикуем технические решения по схемам отопления и горячего водоснабжения. Информация о других энергосберегающих решениях будет опубликована в следующих номерах журнала.

Система отопления

Поквартирные системы отопления в многоэтажных жилых домах – это новый вид инженерных систем в нашей стране. Поквартирные системы отопления – это такие системы, которые могут управляться обитателями квартиры, без изменения теплового режима соседних помещений и обеспечивать поквартирный учет расхода тепловой энергии. Это попытка одновременного решения двух противоречивых задач – повышения тепловой комфортности жилища и энергосбережения. Актуальность решения этой задачи осознают и проектировщики, и строители, и муниципальные службы, и даже политики, ратуя за жилищно-коммунальную реформу.

Для того, чтобы сравнительно просто организовать поквартирный учет тепла, необходимо обеспечить один ввод в квартиру подающего и обратного трубопроводов и присоединить к ним все отопительные приборы, размещенные в квартире. Наиболее распространены две схемы поквартирного отопления: “лучевая” и “периметральная” (рис. 1 и рис. 2).

Рисунок 1. Лучевая схема системы отопления 1 - отопительный прибор 2 - счетчик поквартирного учета расхода воды

Рисунок 2. Периметральная схема системы отопления 1 - отопительный прибор 2 - счетчик поквартирного учета расхода воды

Рисунок 3. Схема поквартирного учета тепла 1 - домовой теплосчетчик 2 - счетчик поквартиного учета расхода воды

Лучевая схема реализуется с помощью металлополимерных труб или полимерных, укладываемых в стяжку “чистого” пола. Каждый из отопительных приборов присоединяется к подающему и обратному коллекторам (манифолдам) и регулируется автономно. В периметральной схеме отопительные приборы гидравлически более зависимы, но эта схема требует меньшего количества труб и обладает лучшей ремонтопригодностью.

В периметральной схеме трубы, как правило, укладываются в лотках и могут обслуживаться. В этом случае могут быть использованы не только металлополимерные (полимерные) трубы, но и обыкновенные стальные. Независимость развязки трубопроводов от других квартир предполагает возможность индивидуального проектирования отопления каждой квартиры. Можно отказаться от уродующих интерьер стояков и горизонтальных подводок. Как правило, в современных радиаторах используется нижний присоединительный узел к прибору – мультифлекс. Современные отопительные приборы стали предметом интерьера и могут устанавливаться на внутренних стенах.

На лестничной площадке поквартирные вводы объединяются коллекторами в приборном щите с поквартирными счетчиками тепла (рис. 3). Приборные щиты всех этажей объединены подающим и обратными стояками системы отопления, связанными через домовой узел учета тепла с теплосетью.

Проекты поквартирных систем отопления для многоэтажных жилых домов в Юго-Западном и Северо-Восточном округах Москвы разрабатываются АО ЦНИИпромзданий и НПО “ТЕРМЭК”.

Попытаемся рассмотреть пути решения проблем, препятствующих широкому внедрению поквартирного отопления.

Действительно точный учет тепловой энергии Q требует применения дорогостоящих приборов, интегрирующих во времени произведение расхода теплоносителя Gi на перепад температуры воды в подающем tподi и обратном tобрi трубопроводах системы отопления.

Такие приборы нуждаются в квалифицированном техническом обслуживании и периодической поверке. Эти затраты можно сократить в десятки раз, если перейти на упрощенную схему учета тепловой энергии для квартир. Сущность схемы состоит в том, что на весь дом ставится один интегрирующий теплосчетчик, определяющий точный расход тепловой энергии домом. В каждой квартире на подающем трубопроводе системы отопления ставится самый простой горячеводный водомер. Расчет потребления тепла каждой отдельной квартирой пропорционален произведению показания водомера на средний по дому перепад температуры в подающей и обратной магистралях. Очевидно, что реальное потребление тепла в квартире будет отличаться от расчетного тем больше, чем больше отклонения температуры в обратных трубопроводах квартиры и в целом по дому. Величина этого отклонения приближенно равна:

Анализ показал, что в большинстве случаев это отклонение не превышает ±10%. При этом наблюдается интересная деталь. Это отклонение работает в пользу сберегающих энергию жильцов и против расточительных домовладельцев. Так стоимость единицы тепловой энергии для квартиры, в которой температура воздуха поддерживается на 2-3 0С выше, чем в среднем по дому, примерно на 5% выше среднего значения.

Таким образом, технически проблему поквартирного учета тепла решить можно, и в нашей стране имеются достаточные производственные мощности для изготовления необходимого количества горячеводных водомеров.

Другой вопрос – где взять деньги при увеличении стоимости отопления за счет поквартирной разводки и учета тепла. Поквартирная система отопления предоставляет большие возможности теплового комфорта и такая квартира в коммерческом строительстве должна стоить дороже. В муниципальном жилье 80% коммунальных услуг, в том числе отопление, дотируется из бюджета. Если мы меньше потребляем тепла за счет энергосберегающих современных технологий, то соответственно и снижается доля дотаций и именно эти деньги следует направлять в том числе на поквартирные системы отопления. И не только поэтому. Несмотря на значительные государственные затраты на повышение уровня теплозащиты стен и окон, мы продолжаем через открытые форточки топить улицу. Только прямая связь семейного бюджета с показателями теплосчетчика сделает эффективными вложения в энергосбережение.

Статистика показала, что вне зависимости от того, где люди живут – в Америке, Европе, Азии - установка теплосчетчиков без каких-либо других мероприятий приводит к снижению теплопотребления на 10-20%.

Теплосчетчик не является энергосберегающим прибором, но весьма эффективным побудителем бережливого отношения людей к теплу.

По вопросу проектирования поквартирных систем отопления в многоэтажных жилых зданиях обращаться НПО “ТЕРМЭК”

Тел. (095) 482-3810, 482-3822

Наумов Александр Лаврентьевич

ТЕПЛОНАСОСНАЯ СИСТЕМА ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ

В настоящее время технологии теплоснабжения, использующие тепловые насосы, применяются практически во всех развитых странах мира. Все широкомасштабные программы по экономии энергии, реализуемые за рубежом, предусматривают их широкое применение. Преимущества технологий, использующих тепловые насосы в сравнении с их традиционными аналогами, связаны не только со значительными сокращениями затрат энергии в системах жизнеобеспечения зданий и сооружений, но и с их экологической чистотой, а также новыми возможностями в области повышения степени автономности систем теплоснабжения. По всей видимости, в недалеком будущем именно эти качества будут иметь определяющее значение в формировании конкурентной ситуации на отечественном рынке теплогенерирующего оборудования.

Технические задания на проектирование отопления, вентиляции и горячего водоснабжения энергоэффективного жилого дома в Никулино-2 предполагает в настоящее время использование теплонасосной установки только для системы горячего водоснабжения. Вместе с тем, продолжаются исследования по возможности использования теплонасосной установки для системы отопления этого дома. Учитывая, что такая возможность представляет интерес для широкого круга специалистов, авторы сочли целесообразным изложить здесь технические решения возможности использования теплонасосной установки не только для системы горячего водоснабжения, но также для системы отопления.

Теплонасосная система горячего водоснабжения экспериментального жилого дома состоит из следующих основных элементов:

- парокомпрессионные теплонасосные установки (ТНУ);

- баки-аккумуляторы горячей воды;

- системы сбора низкопотенциальной тепловой энергии грунта и тепла удаляемого вентиляционного воздуха.

Принципиальная технологическая схема утилизации теплоты на горячее водоснабжение представлена на рис. 4.

Система сбора низкопотенциальной тепловой энергии грунта (ССНТГ). Рассмотрим более подробно теплофизические процессы, протекающие в ССНТГ или системе теплосбора в период ее эксплуатации и оказывающие существенное влияние на формирование теплового режима как ССНТГ, так и окружающего грунтового массива.

Рисунок 4.

Рисунок 5. Теплонасосная система утилизации теплоты удаляемого вентиляционного воздуха 1. вытяжные шахты 2. вытяжной вентилятор 3. испаритель-утилизатор 4. компрессор 5. конденсатор 6. регулирующий вентиль

При эксплуатации ССНТГ влага, заключенная в порах грунтового массива, находящегося в пределах зоны теплового влияния теплообменника, вследствие сезонного изменения параметров наружного климата, а также под воздействием эксплуатационных нагрузок, как правило, многократно изменяет свое агрегатное состояние и в общем случае может находиться в жидкой, твердой и газообразной фазах одновременно. Таким образом, грунтовый массив ССНТГ, независимо от состояния, в котором он находится, представляет собой сложную трехфазную полидисперсную гетерогенную структуру, скелет которой образован огромным количеством твердых частиц разнообразной формы и величины и может быть как жестким, так и подвижным, в зависимости от того, прочно ли связаны между собой частицы или же они отделены друг от друга веществом в подвижной фазе. Промежутки между твердыми частицами скелета могут быть заполнены минерализованной влагой, газом и паром или тем и другим одновременно. Иначе говоря, среда, заполняющая поровое пространство твердого скелета, может находиться в различных агрегатных состояниях.

Моделирование процессов тепломассопереноса, участвующих в формировании теплового режима многокомпонентной системы, представляет собой чрезвычайно сложную задачу, поскольку требует учета и математического описания разнообразных механизмов их осуществления: теплопроводности в отдельной частице; теплопередачи от одной частицы к другой при их контакте; молекулярной теплопроводности в среде, заполняющей промежутки между частицами; конвекции пара и влаги, содержащихся в поровом пространстве и многих других. Строго говоря, при моделировании теплового режима ССНТГ, кроме учета механизмов осуществления в системе процессов тепломассопереноса, необходимо учитывать химико-минералогическую природу скелета, его механическую структуру, количественные соотношения фаз среды, заполняющей промежутки между твердыми частицами скелета, и их взаимное расположение в поровом пространстве, а также многие другие физико-химические параметры грунтового массива. Кроме того, к особенностям теплового режима ССНТГ, как объекта моделирования, следует отнести и, так называемую, информативную неопределенность математических моделей, описывающих подобные процессы, или, иначе говоря, отсутствие достоверной информации о воздействиях на систему окружающей среды (атмосферы, осадков, грунтового массива вне зоны теплового влияния системы и др.), а также чрезвычайную сложность их аппроксимации. В самом деле, если аппроксимация воздействий на систему параметров наружного климата хотя и сложна, но все же реализуема, то проблема учета в математической модели влияния атмосферных воздействий, таких, как дождь, туман, роса и т.д., а также учет влияния на грунтовый массив ССНТГ подстилающих и окружающих его слоев грунта на сегодняшний день зачастую связана с непреодолимыми трудностями.

Определенную помощь в преодолении трудностей, возникающих на пути создания адекватных реальным физическим процессам математических моделей теплового режима грунтовых теплообменников, может оказать метод математического моделирования, разработанный в АО “ИНСОЛАР-ИНВЕСТ”.

В основе метода лежит понятие функции влияния сброса или потребления тепловой энергии из грунта на его естественный тепловой режим.

При построении математической модели теплового режима грунтового теплообменника рассматриваются две задачи: основная - задача о нестационарном тепловом режиме теплообменника при его эксплуатации и базовая - задача о естественном тепловом режиме грунтового массива. Рассмотрение разности этих задач (основная минус базовая) позволяет получить новую математическую постановку с однородными граничными условиями, в которой искомой величиной является функция влияния сброса/потребления тепловой энергии из грунта на его естественный тепловой режим, численно равная разности температур грунтового массива, наблюдающихся при эксплуатации теплообменника и в естественном состоянии. Особо следует отметить, что в граничных и начальном условиях новой модели мы получаем возможность освободиться от неизвестного начального распределения температур в грунтовом массиве ССНТГ, от необходимости аппроксимации годового хода температур наружного воздуха и интенсивности солнечной радиации, а также аппроксимации других факторов, учет которых в модели, как уже отмечалось ранее, достаточно сложен. Однако в полученной математической модели присутствует неизвестная функция, описывающая естественный ход температур в грунтовом массиве системы теплосбора, точность задания которой существенным образом сказывается на точности реализации модели и степени ее адекватности реально протекающим в грунте физическим процессам. В общем случае для решения проблемы задания в модели естественного температурного режима грунта могут быть использованы экспериментальные данные метеослужб о годовом ходе температур грунта на различных глубинах.

Использование данного метода при построении математических моделей теплового режима ССНТГ позволяет не только обойти трудности, связанные с аппроксимацией внешних воздействий на систему, но и использовать в качестве решения базовой задачи достоверную, экспериментально полученную информацию о естественном тепловом режиме грунта. Этот факт является серьезным преимуществом данного метода в сравнении с традиционным подходом к моделированию тепловых процессов, протекающих в подобных системах, поскольку позволяет частично учесть в модели комплекс факторов: наличие грунтовых вод, их скоростной и тепловой режимы, структуру и расположение слоев грунта, "тепловой фон" земли, атмосферные осадки, фазовые превращения влаги в поровом пространстве, а также многие другие факторы, существеннейшим образом влияющих на формирование теплового режима ССНТГ.

На основе описанного метода в ОАО "ИНСОЛАР-ИНВЕСТ" был разработан комплекс компьютерных программ, моделирующих пространственный нестационарный тепловой режим ССНТГ в процессе их многолетней эксплуатации. Проведенные с помощью этого комплекса численные эксперименты показали, что потребление тепловой энергии из грунтового массива к концу отопительного сезона вызывает вблизи регистра труб грунтового теплообменника понижение температуры грунта, которое в почвенно-климатических условиях большей части территории РФ не успевает компенсироваться в летний период года, и к началу следующего отопительного сезона грунт выходит с пониженным температурным потенциалом. Потребление тепловой энергии в течение следующего отопительного сезона вызывает дальнейшее понижение температуры грунта, и к началу третьего отопительного сезона его температурный потенциал еще больше отличается от естественного. И так далее.

Однако, как показали численные эксперименты, огибающие влияния многолетней эксплуатации грунтового теплообменника на естественный температурный режим грунта имеют ярко выраженный экспоненциальный характер, и к пятому году эксплуатации грунт выходит на новый режим, близкий к периодическому, то есть, начиная с пятого года эксплуатации, многолетнее потребление тепловой энергии из грунтового массива ССНТГ сопровождается периодическими изменениями его температуры.

Таким образом, при проектировании теплонасосных систем, оснащенных ССНТГ представляется необходимым учету снижения температуры грунтового массива, вызванного многолетней эксплуатацией грунтового теплообменника, и использовать в качестве расчетных значений температуры грунтового массива, ее значения ожидаемое на 5-й год эксплуатации системы.

С учетом отмеченных выше положений были проведены численные эксперименты по оценке эффективности использования низкопотенциальной тепловой энергии грунта поверхностных слоев земли для горячего водоснабжения экспериментального жилого дома для условий микрорайона Никулино-2. В качестве критерия оценки эффективности был использован коэффициент преобразования энергии теплонасосной системы горячего водоснабжения, ожидаемый на 5-й год ее эксплуатации.

Проведенные численные эксперименты показали, что ожидаемый коэффициент преобразования теплонасоной установки использования тепла для горячего водоснабжения составляет 3,5.

Система сбора низкопотенциального тепла вентиляционных выбросов (ССНТВ).

ССНТВ предусматривает устройство в вытяжных вентиляционных камерах теплообменников утилизаторов, гидравлически связанных с испарителями теплонасосных установок. В этом случае обеспечивается как более глубокое охлаждение вытяжного воздуха, так и использование его тепла для получения горячей воды.

Принципиальная схема системы представлена на рис. 5. Из вентиляционных шахт (1) вытяжной воздух собирается в коллектор и из него вентилятором прогоняется через теплообменник-утилизатор (3), связанный с испарителем ТНУ промежуточным контуром, охлаждается и выбрасывается в атмосферу. Полезное тепло отводится от конденсатора (5) в систему горячего водоснабжения или отопления.

На рис. 6 представлена гидравлическая схема варианта теплового узла для теплонасосной системы теплоснабжения (отопления и горячего водоснабжения), использующей тепловые насосы.

Обратная вода из системы отопления с температурой 37 0С через фильтр (9) посредством циркуляционных насосов (5) поступает в собирающий коллектор (13) и оттуда в тепловые насосы (1), где подогревается до 50Є55 0С и через раздаточный коллектор (14) направляется в клапан регулятора температуры смеси и в баки-аккумуляторы (2). В аккумуляторах установлены теплообменники - нагреватели (4), которые в ночное время подогревают воду до температуры 90 0С. Вода из баков подается на смешение в клапан регулятора температуры, а часть ее, пройдя змеевиковый теплообменник аккумулятора горячей воды (3), тоже подается в точку смешения. В систему отопления вода подается с температурой 70 0С. Система сбора низкопотенциального тепла для испарителей тепловых насосов представлена теплообменниками (11), коллекторами сбора и раздачи хладоносителя (15) и (16), циркуляционными насосами (6) и фильтрами (10). Горячая вода из сети, пройдя фильтры (7) и (8), поступает в бак-аккумулятор (3), подогревается теплообменниками - нагревателями (4), после чего поступает в клапан регулятора температуры смеси (12), где смешивается с сетевой водой и направляется в систему горячего водоснабжения здания. Представленный на рис. 3 вариант системы теплоснабжения здания предусматривает аккумулирование тепловой энергии в ночное время. Нагрев воды теплообменниками (4) может быть обеспечен как подачей тепла от ЦТП, так и за счет прямого электронагрева. В случае применения двуставочного тарифа на отпуск электроэнергии, прямой электронагрев в ночное время, как правило, экономически оказывается более целесообразным.

На рис. 7 представлена аксонометрия возможного варианта размещения  оборудования в тепловом пункте.

В заключение необходимо отметить, что эффективность широкого применения рассматриваемых технологий отопления и горячего водоснабжения может быть достигнута только при разумном сочетании нового оборудования с эффективными решениями в области архитектуры, объемно-планировочных решений зданий, а также их ограждающих конструкций и пр., полученном на основе рассмотрения комплекса: здание+ТСК как единой теплоэнергетической системы. Осуществленный на компьютерных моделях анализ технико-экономических аспектов внедрения теплонасосных систем теплоснабжения показал, что их широкое применение в практике московского строительства должно сопровождаться пересмотром требований, предъявляемых в настоящее время существующими нормами проектирования к ограждающим конструкциям зданий, прежде всего, к экономически целесообразному уровню их теплозащиты.

Таблица Удельные годовые расходы энергоносителей

Показатели Единицы измерения (серия П44) Базовый вариант Проектируемый дом (серия 111-355 МО) 1. Годовой расход энергии мВт ч\год 5450 2967 - тепловой энергии на отопление мВт ч\год 2360 1013 - тепловой энергии на горячее водоснабжение мВт ч\год 1730 - - электрической энергии мВт ч\год 1360 1954 2. Экономия энергетических ресурсов мВт ч\год - 2483 - в процентах % - 46 - в тоннах условного топлива в год - 307 3. Удельный годовой расход энергии мВт ч\год 0,296 0,161 - тепловой энергии на отопление мВт ч\год 0,128 0,055 - тепловой энергии на водоснабжение мВт ч\год 0,094 - - электрической энергии мВт ч\год 0,074 0.106 4. Удельная годовая экономия энергетических ресурсов мВт ч\год - 0.135

По вопросам проектирования теплонасосных систем обращаться:

ОАО "ИНСОЛАР-ИНВЕСТ"

Тел.: (095) 144-0667, 144-0175,

Васильев Григорий Петрович