Проектирование комбинированной системы теплоснабжения школы с применением теплового насоса

 

 

 

Данный метод может  использоваться и для экспериментального определения тепловой нагрузки здания, для этого, при проведении эксперимента, дополнитель необходимо еще учитывать  изменение температуры внутреннего  воздуха в помещении.

 

2.8 Расчет тепловой инерции

 

Сопротивление теплопередаче  ограждающих конструкций должно отличаться при различной их теплоустойчивости. Теплоустойчивостью называют свойство ограждений сопротивляться изменениям температуры окружающей среды. Как  известно, температура наружного  воздуха подвержена постоянному изменению. Следовательно условия теплопередачи через ограждения зданий, как правило, нестационарны. При быстром понижении температуры наружного воздуха и недостаточной теплоустойчивости ограждающей конструрпции возможное значительное понижение температуры её внутренней поверхности. И это может нарушить условия тепловой комфортности для находящихся в помещении людей.

Теплоустойчивость ограждений при изменении температуры наружного  воздуха характеризуют безразмерным показателем тепловой инерции

D = R₁ × s_1` + R₂ × s₂ +¼+ R_n × s_n    (2.24)

где; R_n – термическое сопротивление отдельных слоёв ограждающей конструкции:

R = d/l , м²×⁰С/Вт;     (2.25)

где; S_n – расчетные коэффициенты теплоусвоения (при периоде 24 часа) отдельных слоёв ограждающей конструкции,

, Вт/(м×⁰С) или   (2.26)

s_n = 0.51 × (l ×с × r)^0.5     (2.27)

где l - теплопроводность, Вт/(м×⁰С)

g - плотность, кг/м³

 

 

с₀ – удельная теплоемкость, кДж/кг×⁰С

w - расчетное массовое отношение влаги в материале, %

D = 0,02/0,93 × 3_` + 0,51/0,76 × 9,77 + 0,06/0,03 × 0,67 = 8,15

При малой тепловой инерции  ограждения следует ожидать большего изменения температуры его внутренней поверхности (когда изменяется температура  наружного воздуха), чем при увеличенной  тепловой инерции.

 

 

 

3 ПРОВЕРКА ТЕПЛОВОЙ КОМФОРТНОСТИ

 

В каждом обогреваемом здании необходимо создавать и поддерживать тепловой режим в зависимости  от его назначения и предъявляемых  санитарно-гигиенических требований. Тепловым режимом здания называют его  общее тепловое состояние в течении отопительного сезона, рассматриваемое как совокупность тепловых условий в помещениях. Тепловой режим может быть равномерным в зданиях с постоянным пребыванием людей, иметь суточные, недельные и другие циклы изменения, связанные с периодической деятельностью людей и использованием зданий.

Комфортными считаются  условия, в которых сохраняется  нормальное функциональное и тепловое состояние организма человека без  напряжения системы терморегуляции. Такие условия создают предпосылки для высокого уровня работоспособности человека.

 

3.1 Тепловлажностный режим ограждений

 

В помещениях гражданских, административных зданий и в большинстве  производственных помещений не допускается  конденсация водяного пара на поверхности  наружных ограждений и накопление влаги в их толще. Увеличение влажности материала конструкции обычно связано со значительным ухудшением её теплозащитных качеств и, как правило, приводит к быстрому разрушению ограждений.

Принятую конструкцию  ограждения необходимо проверять на отсутствии конденсации на его внутренней поверхности из условия удовлетворения требования

t_в > t_т.р. или t_в = t_т.р + (0.5 ¸ 1.0)    (3.1)

где t_т.р. – температура точки росы воздуха помещения, ⁰С ,

t_т.р. = 20.1 – (5.75 – 0.00206×е_в)² ,     (3.2)

 

 

где е_в – упругость водяного пара в воздухе помещения, Па.

е_в = E_t=x×j_в/100 ,       (3.3)

где ×j_в = 65 % - допустимая влажность [1]

E_t=x = 477+133.3×(1+0.14×t_x)² , Па,    (3.4)

E_t=8 = 477+133.3×(1+0.14×8)² = 1076.1 Па ,

е_в = 1076.1×65/100 = 699.5 Па,

t_т.р.⁸ = 20.1 – (5.75 – 0.00206×699.5)² = 1.5 ⁰С

E_t=18 = 477+133.3×(1+0.14×18)² = 2128.64 Па ,

е_в = 2128.64×65/100 = 1383.616 Па,

t_т.р.¹⁸ = 20.1 – (5.75 – 0.00206×1383.616)² = 11.7 ⁰С.

Температура внутренней поверхности ограждения равна

t_в = t_в – R_в/R₀×(t_в – t_н) ,⁰С      (3.5)

где R_в = 1/a_в = 1/8.7 = 0.115 м²×⁰С/Вт

R₀ = 2.8 м²×⁰С/Вт

t_в18 = 18 – 0.115/2.8×(18 – (-22)) = 16.3 ,⁰С

t_в8 = 8 – 0.115/2.8×(8 – (-22)) = 6.76,⁰С

t_в18 =16.3 > 11.7

t_в8 =6.76 > 1.5

Величина t_т.р значительно меньше температуры t_в для обоих температурных режимов помещения, поэтому конденсации на внутренней поверхности стены не будет.

 

3.2 Первое условие комфортности

 

Первое условие тепловой комфортности в помещении определяет сочетания температуры воздуха  и температуры при которых  человек, находясь в середине рабочей зоны помещения, не испытывает чувство перегревания или переохлаждения.

 

 

1-зона теплового комфорта; 2-зона переохлаждения; 3-зона перегревания

Рисунок 3.1 - Области тепловых условий для человека, выполняющего легкую работу в отапливаемом помещении.

 

Комфортные тепловые условия выражает осредненная температура помещения  t_п. При практических расчетах в условиях конвективного отопления за температуру помещения t_п принимают значения температуры воздуха t_в, приведенные в СНиП и ГОСТ.

Обычно значения температуры t_п, t_В и t_R близки. Для помещений, где температура воздуха и температура поверхностей заметно отличаются (например, при периодическом, при лучистом или воздушном отоплении), нормируемую внутреннюю температуру принимают за температуру помещения. Затем проверяют выполнение первого условия тепловой комфортности, используя зависимость между температурой t_В и t_R, установленную для большинства помещений гражданских зданий в холодный период года :

t_R = 1.57×t_п – 0.57×t_В ± 1.5    (3.6)

t_R = 1.57×18 – 0.57×17 ± 1.5

 

 

t_R = 18.6 ± 1.5 ,  т.е.

17 < t_R < 20

 

3.3 Второе условие комфортности

 

Второе условие тепловой комфортности в помещении определяет температуру нагретой или охлажденной  поверхности, допустимую для человека, находящегося непосредственно около этой поверхности, и связано с интенсивностью лучистого теплообмена человека.

Температура поверхности  потолка и стен (в зоне свыше1м  от уровня пола) должна быть ограничена во избежание недопустимого радиационного  воздействия на голову человека. Температура нагретой поверхности, ⁰С, принимая минимально необходимую теплоотдачу человека излучением 11.6 Дж/(с×м²), должна быть не выше

t_наг = 19.2 + 8.7/j_ч-п , ⁰С    (3.7)

Температура охлажденной  поверхности, ⁰С, при максимальной теплоотдаче человека излучением 70 Дж/(с×м²) должна быть не ниже

t_охл ³ 23 - 5/j_ч-п , ⁰С     (3.8)

где j_ч-п – коэффициент отлученности с поверхности головы человека в сторону нагретой или охлажденной поверхности (расчетное расстояние до стен 1 м).

Минимально допустимая температура охлажденной поверхности окон может быть найдена, если предельно допустимую теплоотдачу человека принять равной 93 Дж/(с×м²) :

t_охл.ок ³ 14 – 4.4/j_ч-ок , ⁰С    (3.8)

 

 

 

 

 

Области допустимой температуры поверхности  массивных ограждений и окон в помещениях в холодный период года, ограниченные предельной температурой на нагретых поверхностях, показаны на рисунке 3.2

 

1, 2, 3 – линии изменения  предельно допустимой температуры  соответственно нагретых и охлаждённых  поверхностей массивных ограждений (1,2) и окон (3).

Рисунок 3.2 Области допустимой температуры поверхности массивных наружных ограждений (I) и окон (II) в помещениях в холодный период года.

t_наг = 19.2 + 8.7/0.59 = 33.9 > 32, 0⁰С

 

 

4 МОДЕРНИЗАЦИЯ: ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ

 

Система на базе солнечных вакуумных коллекторов предназначена для производства горячей воды заданной температуры, путем поглощения солнечного излучения, преобразования его в тепло, аккумуляции и передачи потребителю.

Система состоит из двух основных элементов:

- наружного блока  - солнечных вакуумных коллекторов;

-  внутреннего блока  - резервуара-теплообменника.

 

 

Рисунок 4.1 – Виды солнечных коллекторов

 

Солнечный вакуумный  коллектор обеспечивает сбор солнечного излучения в любую погоду, вне  зависимости от внешней температуры. Коэффициент поглощения  энергии таких коллекторов, при степени вакуума 10^-5¸ 10^-6, составляет 98 %.

Резервуар-теплообменник  представляет собой автоматизированную систему преобразования, поддержания  и сохранения тепла, полученного от энергии солнца, а также и от других источников энергии (например, традиционный отопитель, работающий на электричестве, газе или дизтопливе), которые страхуют систему при недостаточном количестве солнечной радиации. Нагретая таким образом вода, поступает из теплообменника внутреннего блока в радиаторы системы отопления, а вода из резервуара используется для горячего водоснабжения.

 

 

Микропроцессорный блок управления предназначен для контроля температуры в солнечном коллекторе и резервуаре-теплообменнике, а также для выбора, в зависимости от величины этих температур, оптимального режима работы системы в течение суток. При этом контроллер регулирует поток теплоносителя через теплообменник, определяет направление подачи тепла (на ГВС или на отопление), управляет работой базового отопителя.

Рисунок 4.2 – Блок управления

 

В ночное время автоматика системы обеспечивает минимально необходимое  привлечение дополнительной энергии  для поддержания заданной температуры  внутри помещения. Система обладает малой инерционностью, быстрым выходом на рабочий режим и позволяет обеспечить среднегодовую экономию энергоносителей до 50 %.

Рисунок 4.3 – Вакуумный солнечный коллектор

 

 

 

 

1 – солнечные лучи, 2 – вакуумный коллектор, 3 – датчик  температуры № 1, 4 – бак сброса  излишнего давления, 5 – центр управления, 6 – контроллер, 7 – электронагреватель, 8 – датчик температуры № 2, 9 – предохранительный клапан, 10 – входное отверстие (холодная вода), 11 – выходное отверстие (горячая вода), 12 – накопительный резервуар с двумя теплообменниками, 13 – основной контур отопления.

Рисунок 4.5 – Схема солнечного коллектора

Рисунок 4.4 – Схема работы системы

 

 

 

 

В исходном состоянии  вода в резервуаре 8 холодная, трехпозиционный  кран 2 находится в положении «сверху - вправо», теплоноситель (пропиленгликоль), которым заполнены коллектора 1, также холодный, теплоноситель в системе отопления холодный, базовый отопитель (котел) только что начал работать, насосы 4 и 7 включены, насос 9 выключен. Встроенный в резервуар электрический нагреватель 10, мощностью 3 кВт, включен. На контроллере 6 выставлена желаемая температура Т в резервуаре, (например  55^оС).

С появлением солнца, в  коллекторе происходит быстрый нагрев теплоносителя. Контроллер включает насос 9 и тепло передается через нижний теплообменник резервуара, нагревая воду для ГВС.  Одновременно, работающий котел  греет систему отопления  и, через верхний теплообменник, нагревает воду для ГВС,  что позволяет быстро вывести систему на рабочий режим.

Когда температура воды в резервуаре становится равной, например, 55^оС, контроллер переключает трехпозиционный кран 2 в положение «сверху - вниз». Таким образом, горячий теплоноситель из солнечных коллекторов поступает на пластинчатый теплообменник, установленный внизу резервуара, передавая тепло в систему отопления. Когда температура в системе отопления достигнет установленной величины, базовый котел отключится, и система отопления будет работать только от солнечной энергии. Когда, при интенсивном расходе горячей воды на ГВС, температура в резервуаре падает ниже 55^оС, контроллер вновь переключает трехпозиционный кран 2 в положение «сверху - вправо» для поддержания установленной температуры. Электрический нагреватель 10 работает независимо от контроллера. Температура его выключения устанавливается на отдельном блоке управления, расположенном в нижней части лицевой панели резервуара.

 

 

 

5 СИСТЕМА ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ С ПРИМЕНЕНИЕМ ТЕПЛОВОГО НАСОСА

5.1 Экономика возобновляемой энергетики