Возможности утилизации теплоты в жилых и общественных зданиях

Отопление, вентиляцию и кондиционирование следует, как правило, проектировать, используя тепловые вторичные энергетические ресурсы (ВЭР):

а) воздуха, удаляемого системами общеобменной вентиляции и местных отсосов;

б) технологических установок, передаваемых в виде тепло- и холодоносителей, пригодных для отопления, вентиляции и кондиционирования.

Использование теплоты воздуха из систем вентиляции с естественным побуждением допускается проектировать при технико-экономическом обосновании.

Целесообразность использования вторичных энергетических ресурсов для отопления, вентиляции и кондиционирования, выбор схем утилизации теплоты (холода), тепло-утилизационного оборудования и теплонасосных установок должны быть обоснованы технико-экономическим расчетом с учетом неравномерности поступления ВЭР и теплопотребления в системах.

Активный переход жителей на приборный учет потребления воды показал снижение фактического водопотребления по отношению к расчетному в 1,5–2 раза. Что в этом показателе относится к «бережливости» жителей, а что к «припискам» водоснабжающих организаций, судить трудно. По данным руководства Мосводоканала, за последние два года средняя температура канализационных стоков в Москве повысилась на 1,5–2 °C, что по их мнению свидетельствует о повышении «бережливости» жителей. Температура канализационных стоков формируется смешением горячей воды (норматив +65 °C) и холодной воды (5–7 °C зимой и 12–15 °C летом). Если основываться на этих данных, то среднее соотношение потребляемой горячей и холодной воды в стоках составляет соответственно 40–45% и 55–60%. Это соотношение достаточно условное, т.к. не учитывает ряд факторов, таких как подогрев холодной воды в стиральных машинах, специфику водопотребления производственных и коммунальных предприятий. Тем не менее оно дает представление о соотношении расходов холодной и горячей воды.

Динамика режимов водопотребления в жилых и общественных зданиях характеризуется резко выраженной неравномерностью в течение суток, которая в свою очередь зависит от числа потребителей, объединенных общей сетью. Критерий «водосберегающая арматура» имеет уже сегодня реализованные энерго- и ресурсосберегающие решения в системах горячего и холодного водоснабжения. К ним можно отнести:

- меры по сокращению водопотребления за счет установки счетчиков воды, контроля давления перед водоразборной арматурой, применения водосберегающей арматуры, устранения утечек;

- меры по сокращению энергопотребления в ГВС за счет использования систем солнечных коллекторов для горячего водоснабжения в южных регионах.

Критерий «Утилизация стоков» пока не имеет в России решений широкого применения. Однако «серые» стоки являются большим потенциальным источником сбережения воды и энергии. Под «серыми» стоками принято понимать стоки от умывальников, ванных, душей. К мероприятиям по их использованию относятся:

– теплонасосные системы утилизации тепла для систем ГВС, которые, к сожалению, не получили распространения в нашей стране по экономическим соображениям;

– кожухотрубные теплообменники для утилизации теплоты канализационных стоков. Попытки использовать такие решения оказались неудачными из-за их быстрого загрязнения;

– системы очистки «серых» стоков для повторного использования в качестве технической воды для смыва унитазов, мойки автомобилей, мойки тротуаров, полива зеленых насаждений. Такие системы в последние годы получили широкое распространение за рубежом.

Иногда к «серым» стокам причисляют стоки от стиральных и посудомоечных машин, моек. В первой группе «серых» стоков уровень загрязнения сравнительно не велик и определяется, помимо бытовых загрязнений, слабой концентрацией мыла, шампуней, гелей для душа. Очистка «серых» стоков первой группы достаточно хорошо отработана и не требует больших затрат. Вторая группа «серых» стоков требует более сложных технологий чистки и фильтрации, т.к. содержит большое количество органических отходов (мойки и посудомоечные машины) и поверхностно активные вещества (ПАВ) стиральных порошков и эмульсий. Включение в состав утилизируемых «серых» стоков тех или иных компонентов определяется технико-экономическим обоснованием (располагаемые водные ресурсы, их стоимость, стоимость технологий очистки). В большинстве регионов экономически целесообразна утилизация «серых» стоков первой группы.

Вопросы утилизации теплоты «серых» стоков относятся к классу задач теплообмена через стенку в системе «вода – вода». Аналогом этой задачи могут служить исследования процессов теплопередачи в емкостных аккумуляторах горячей воды с трубчатыми теплообменниками. Такое оборудование выпускается рядом предприятий и в расчетах используются экспериментально установленные коэффициенты теплопередачи.

Для расчетов теплообмена в баках-аккумуляторах горячей воды используют значения коэффициентов теплопередачи для теплообменников из стальных труб – 290 Вт/м²·°C и для медных или латунных – 350 Вт/м²·°C. Эти сравнительно низкие значения коэффициентов теплопередачи приводят к необходимости развивать поверхность теплообмена и увеличивать массогабаритные характеристики аппаратов.

В рамках научно-исследовательской работы, выполняемой по заказу Минобрнауки РФ, ООО «НПО ТЕРМЭК» разработаны технические решения энергосберегающей системы горячего водоснабжения (ЭСГВ). Канализация осуществляется самотечной последовательно от всех приборов и централизованно выводится в систему наружной канализации. На рис. 14.10 приведена принципиальная схема энергосберегающей системы горячего водоснабжения индивидуального дома. Схемное решение предполагает разделение стоков. Стоки фекальные объединяют унитаз, стиральную машину и мойку. «Серые» стоки – умывальник и душ (ванну). Такое деление обусловлено следующими соображениями:

– стоки от умывальника и душа имеют незначительные загрязнения и могут быть очищены до качества технической воды сравнительно простыми устройствами очистки (промывной фильтр с песчаной и угольной насадкой);

 

 

Рис. 14.10. Принципиальная схема энергосберегающей системы горячего водоснабжения индивидуального дома (вариант 1):

УН – унитаз; СМ – стиральная машина; М – мойка; У – умывальник; Д – душ (ванная)

 

– объем стоков от умывальника и душа практически соответствуют потребности в воде смывных бачков унитазов (превышение объема стоков на 10–15% над расходом воды для унитазов);

– теплосодержание «серых» стоков соответствует возможности утилизации теплоты для нагрева горячей воды на 25–30%.

Принцип работы энергосберегающей системы горячего водоснабжения состоит в утилизации теплоты «серых» стоков для нагрева холодной воды в теплообменнике первой ступени и повторного использования «серых» стоков для водоснабжения смывных бачков.

Стоки от душа и умывальника поступают в теплоизолированный контейнер, проходя предварительную очистку в фильтре 1, улавливающем все механические примеси. В контейнере размещен змеевик теплообменника, по которому поступает холодная вода для подогрева первой ступени ГВС, далее она догревается до 50–65 °C в теплообменнике второго подогрева в индивидуальном тепловом пункте (ИТП). Под змеевиком теплообменника располагаются барботажные трубки, через которые в «серые» стоки поступают мелки пузырьки воздуха (0,1–0,5 мм).

Система барботажа выполняет три функции:

– аэрации и флотации «серых» стоков с поглощением загрязняющих веществ;

– предотвращения осаждения на змеевике теплообменника механических загрязнений;

– обеспечение циркуляции воды в межтрубном пространстве теплообменника для интенсификации процесса теплопередачи.

Недостатком использования скоростных теплообменников (кожухотрубных, пластинчатых) для утилизации теплоты «серых» стоков является их быстрое засорение и загрязнение. Это связано не только с трудностями технологической очистки, но и с нестационарностью процессов водоотведения, когда периодически скорость движения жидкости падает до нуля и происходит осаждение частиц. Кроме того, характер циркуляции жидкости в межтрубном пространстве кожухотрубных теплообменников предполагает изменение скорости локальных течений, отличающихся в 3–5 раз. Из контейнера загрязненная часть «серых» стоков отводится в канализацию, а очищенные через бактерицидный фильтр поступают в смывные бачки унитазов. Контейнер снабжается вентиляционной трубой, отводящей загрязненный воздух за пределы здания. Глубина очистки «серых» стоков определяется технико-экономическими критериями, главным образом, стоимостью воды и очистных систем. В зарубежной практике в состав утилизируемых «серых» стоков в ряде случае включают стоки от мойки и от стиральных машин. Эти два источника существенно повышают нагрузку на очистные устройства, т.к. содержат достаточно большой объем органических соединений и моющих веществ, включая поверхностно активные вещества.

Утилизация теплоты вытяжного воздуха процесс вторичного использования тепловой энергии в системе вентиляции. Теплота вытяжного вентиляционного воздуха представляет собой основной вторичный энергоресурс (ВЭР) жилых и обществ, зданий. Расход теплоты на нагрев вентиляционного воздуха в жилых зданиях составляет 40—50% расхода на отопление, в общественных зданиях – от 40 до 80%. В промышленных зданиях кроме теплоты вытяжного воздуха к вторичным энергоресурсам относится тепловая энергия уходящих газов – продуктов сгорания топливо использующих технологий и оборудования отопительных и промышленных котельных и др.

Аппараты для утилизации теплоты вытяжного воздуха (теплоутилизаторы). По характеру изменения теплового потенциала различают два их вида: тепловые насосы, обеспечивающие увеличение теплового потенциала, и теплообменные аппараты. Выбор схемы и типа теплоутилизаторов определяет характер нагрузки теплопотребителей, т.к. существенно влияет на экономичность системы в целом. Потребители теплоты вытяжного воздуха могут быть круглогодичные (системы горячего хозяйственно-бытового и производственного водоснабжения) и сезонные (низкотемпературные системы водяного отопления, системы кондиционирования воздуха и вентиляции).

Тепловым насосом называется техническое устройство, реализующее процесс переноса низкотемпературной теплоты, не пригодной для прямого использования, на более высокотемпературный уровень. По аналогии с водяными насосами, перекачивающими воду, тепловые насосы «перекачивают» теплоту. Иными словами, тепловые насосы являются трансформаторами теплоты, в которых рабочие тела совершают обратный термодинамический цикл, перенося теплоту с низкого температурного уровня на высокий. Таким образом, из низкопотенциальной теплоты различного происхождения (природной возобновляемой теплоты грунтовых и поверхностных вод, теплоты грунта, атмосферного воздуха, а также сбросной техногенной теплоты технологических процессов промышленных производств, сточных вод биологических и других очистных сооружений) с температурой 0–50°С вырабатывается тепло.

На рис. 14.11. отображена схема компрессионного теплового насоса.

Тепловые насосы при утилизации теплоты вытяжного воздуха могут применяться для подогрева или подогрева и охлаждения приточного воздуха, а также для подогрева воды. В случае использования воздуха в качестве источника и приемника теплоты тепловые насосы работают по схеме "воздух-воздух". Такая схема предпочтительна при кондиционировании воздуха, т.е. при нагреве его в холодный период года и охлаждении в теплый. Переход работы теплового насоса с режима нагревания на режим охлаждения осуществляется изменением движения либо хладагента, либо воздуха. Работу теплового насоса для подогрева воды за счет теплоты вытяжного воздуха называют работой по схеме "воздух -вода".

Тепловые насосы работают по обратному термодинамическому циклу Карно. Их тепловой цикл аналогичен холодильному циклу, но в данном случае производится не только холод в испарителе, но и теплота в конденсаторе.

Большое распространение получили теплоутилизаторы - теплообменники, которые подразделяют на три группы:

- рекуперативные (воздухо-воздушные, воздухо-жидкостные, жидкостно-жидкостные),

- регенеративные и

- с промежуточным теплоносителем.

- В первых двух рабочим телом являются сами теплообменивающиеся среды, например, вытяжной и приточный вентиляционный воздух, в последнем, - кроме теплообменивающихся сред используется рабочее тело, воспринимающие теплоту от вытяжного воздуха и передающее ее потребителю. В рекуперативных воздухо-воздушных теплоутилизаторах-теплообменниках теплота вытяжного воздуха передается через стенку приточному воздуху, а в воздухо-водяных - от воздуха к воде. В регенеративных теплообменниках теплоаккумулирующая масса попеременно нагревается за счет теплоты вытяжного воздуха и отдает аккумулированную теплоту приточному воздуху.

 

Рис. 14.11. Компрессионный тепловой насос:

К- компрессор; КД- конденсатор; П- переохладитель; РТ - регенеративный теплообменник; И – испаритель; РУ – регулятор. T_s1 и T_s2– низкотемпературная вода;T_w1,T_w2–нагреваемая вода

Регенеративные теплоутилизаторы-теплообменники бывают стационарные, в которых неподвижная теплоаккумулирующая масса (в виде насадок из металлической стружки, гравия, щебня и т.п.) попеременно автоматически переключается с режима поглощения (поток вытяжного воздуха) на режим отдачи теплоты (поток нагреваемого воздуха), и вращающиеся, теплоаккумулирующая масса которых, выполнена в виде плоского цилиндра-насадки, раздел, на секторы, при вращении последовательно пересекает поток вытяжного и приточного воздуха. Вращающиеся регенеративные аппараты могут передавать как явную, так и полную теплоту. В последнем случае теплоутилизаторы называются энтальпийными или сорбирующими и их теплоаккумулирующая масса изготовляется из тонколистового картона, бумаги, целлюлозы и т.п. материалов.

Теплоутилизаторы с промежуточным теплоносителем имеют дополнительный циркуляционный контур, в котором циркуляционным насосом перемещается рабочее тело, передающее теплоту от вытяжного воздуха потребителю. Их достоинства:

- полная аэродинамическая изоляция потоков вытяжного и приточного воздуха, что исключает возможность переноса запахов, бактерий и прочих загрязнений из вытяжного воздуха;

- возможность устройства систем утилизации при размещении приточных и вытяжных установок на значит, расстоянии одной от др.;

- возможность объединения в одну систему различного числа приточных и вытяжных установок с различным тепловым потенциалом удаляемого воздуха.

Недостаток таких теплоутилизаторов - большой расход металла.

Разновидностью рекуперативного теплоутилизатора с промежуточным теплоносителем является теплоутилизатор на базе тепловых труб. Он представляет собой пучок труб, помещенных одним концом в поток греющего вытяжного, а другим в поток нагреваемого приточного воздуха. Тепловые отопительные трубы, представляющие собой разновидность рекуперативных воздухо-жидкостных теплообменников, выполняют в виде герметичной оболочки из стали, заполненные легкокипящей жидкостью (хладоны, аммиак, глицерин и т.п.), устанавливают под небольшим углом к горизонту, в результате чего происходит естественная конвекция паров жидкости.

Серийно изготовляемые теплоутилизаторы на базе труб предназначены для круглогодичного использования теплоты (холода) воздуха, удаляемого системами местной и общеобменной вытяжной вентиляции для нагревания (охлаждения) приточного воздуха в системах кондиционирования воздуха и приточной вентиляции производств, и обществ, зданий.

Они могут использоваться при температуре не выше 70 ºС в потоке вытяжного и не ниже -40 ºС в потоке приточного воздуха и запыленности не более 0,5 мг/м³ без содержания липких веществ и волокнистых материалов. Для них вводятся те же ограничения в применении, что и для рекуперативных и регенеративных теплоутилизаторов.

Теплоутилизаторы контактного типа являются разновидностью теплоутилизаторов с промежуточным теплоносителем. Они могут быть полые, в которых поверхность теплообмена образуется каплями жидкости, разбрызгиваемой через форсунки или другими способами, или иметь насадку, орошаемую водой, раствором солей или жидкими сорбентами. В насадочных аппаратах теплообменная поверхность образуется частично стекающей пленкой жидкости, частично каплями, движущимися между пленконесущими элементами. В качестве полых контактных теплоутилизаторов можно использоваться форсуночные камеры кондиционеров. Теплоутилизаторы контактного типа применяют для нагревания воды за счет теплоты вытяжного воздуха. Вода в этом случае может быть подогрета лишь до температуры, соответствующей температуре воздуха по мокрому термометру. Поэтому теплоутилизаторы контактного типа целесообразно применять для установок с высоким влагосодержанием, например, удаляемого от сушильного оборудования текстильной, деревообрабатывающей, пищевой и других отраслей промышленности. Вода, нагреваемая в контактных аппаратах, используется для технологических целей либо в рекуперативных теплообменниках. Достоинство теплоутилизаторов контактного типа - возможность совмещения процессов очистки, а также допустимость широкого диапазона начальных температур.

Применение любых теплоутилизаторов связано с дополнительными капитальными и эксплуатационными затратами, увеличением расхода металла, установкой воздушных фильтров в потоке вытяжного воздуха, дополнительными затратами электроэнергии на перемещение воздуха или жидкости и другими. На технико-экономическую эффективность утилизаторов тепла вытяжной вентиляции влияют массовый расход удаляемого воздуха, его температура, влагосодержание и загрязнение, а также климатические характеристики наружного воздуха, способы регулирования параметров тепловоспринимающей среды и предотвращения инееобразования, время работы теплоутилизационной установки. Экономическая эффективность резко возрастает с увеличением продолжительности действия установки в годовом цикле при трехсменной работе.

Основная учебная литература

1. Тетиор А. Н. Городская экология: учеб.пособие по направлению 653500 "Строительство" / А. Н. Тетиор. - М.: Академия, 2006. - 330 с.: a-ил. - (Высшее профессиональное образование:Строительство).

2. Кедров В.С. Санитарно-техническое оборудование зданий: учебник для вузов /В.С. Кедров, Е.Н.Ловцов. – М.:ООО «Бастет», 2008. – 480 с.

3. Инженерные системы зданий и сооружений. Теплоснабжение и вентиляция. Учебник для студ. вузов. /Е.М.Авдокимов, В.АВ.Жила, Л.И. Жуйкова, и др.; под общей ред. П.А. Хаванова. М.: Изд-во «Академия» - 2014. -320 с.

4. Ионин А.А., Жила В.А., Артюхович В.В., Пшо М.Г. Газоснабжение. Под. Общ. ред. В.А. Жила. – М.: изд-во АСВ, 2014. – 472 с.

5. Техническая эксплуатация и реконструкция инженерных систем зданий. Методические указания по курсовому проекту. Составитель В.Р.Чупин – Иркутск, Изд-во ИрГТУ. – 2005. – 80 с.

6. Е.Я.Соколов. Теплофикация и тепловые сети, М., Издательство МЭИ, 2011г., 474с.

7. Н.Р. Шадейко, Ю.Ю. Галямов, А.А. Селиверстов. Системы жизнеобеспечения города. Учебное пособие. Томск: Изд-во Том. гос. архит.-строит. ун-та, 2012. – 340 с. ISBN 978-5-93057-414-2

8. Инженерные системы зданий и сооружений: учеб. пособие. для студ. учреждений высш. проф. образования / [И.И.Полосин, Б. П. Новосельцев, В. Ю. Хузин, М. Н.Жерлыкина]. — М.: Издательский центр «Академия», 2012. — 304 c. — (Сер.Бакалавриат). ISBN 978-5-7695-7478-8

9. Лысёв В.И. Инженерные системы зданий и сооружений: Учеб.-метод. пособие. СПб.: Университет ИТМО; ИХиБТ, 2015. 32 с.

Дополнительная учебная и справочная литература

10. Равич М. Эффективность использования топлива. М. Изд-во Наука, 1977, 344 с.

11. СНиП 2.04.08-87 Газоснабжение. Госстрой России. М., 1995.

12. СНиП 42-01-2002. Газораспределительные системы. Gasdistributionsystems. Дата введения 2003-07-01.

13. Проектирование и монтаж электроустановок жилых и общественных зданий. СП 31-110-2003. Госстрой России. М., 2003.

14. МДС 41-4.2000 «Методика определения количеств тепловой энергии и теплоносителя в водяных системах коммунального теплоснабжения». Госстрой России, М., РАО «Роскоммунэнерго». 2000.

15. СНиП 41-01-2003. Отопление, вентиляция и кондиционирование. Госстрой России. М., 2004.

16. СНиП 2.04.07-86*. Тепловые сети. Минстрой России. Москва 1994.

 

17. СП 31-110-2003 Свод правил по проектированию и строительству. Проектирование и монтаж электроустановок жилых и общественных зданий. Дата введения 2004-01-01.

18. Правила устройства и эксплуатации электроустановок. Седьмое издание. Утверждено Министерством энергетики Российской Федерации, приказ от 8 июля 2002 г. N 204.

20. Правила технической эксплуатации тепловых энергоустановок. Утверждены приказом Министерства энергетики Российской Федерации от 24 марта 2003 года N 115.

Ресурсы сети Интернет

1.Интернет сайты: www.abok.ru, http: //library.istu.edu и другие.

2. Поисковые системы: Yandex, Mail и др.