Энергоэффективность отопительных приборов с различной тепловой инерцией на прерывистых режимах отопления

Строительство

Руководитель отдела технического консалтинга ЗАО ТД «Терморос», к.т.н. Лапин В.М.

информация:

где:
Россия. Москва

Основным способом экономии тепловой энергии при комфортном отоплении помещений является организация переменной внутренней температуры воздуха в течение суток: например, понижение её в ночные часы и ещё более значительное понижение во время регулярного отсутствия в них людей. Такой микроклимат достигается прерывистой подачей тепла.

Эффективность энергосбережения существенно зависит от динамики натопа в начале периода подачи тепла, и здесь представляет интерес оценка роли тепловой инерции отопительных приборов. Для расчёта энергетических характеристик процесса требуется определение внутренней температуры воздуха. Методика расчёта таких режимов при различных почасовых теплопоступлениях разработана в [1] и [2]. Переменная во времени теплоотдача отопительного прибора представляется в виде суперпозиции дискретных постоянных подач в течение каждого часа. По этой методике в [3] были рассчитаны затраты тепла при различных видах прерывистой подачи тепла для помещения, рассмотренного ещё в [1], и представляющего собой типичную комнату городской квартиры постройки второй половины XX века. При этом отопительные приборы рассматривались как мгновенно выходящие на полную расчётную теплоотдачу. Для учёта переходных процессов разогрева отопительных приборов дискретизация с постоянной теплоотдачей в течение часа недостаточна.

В настоящей работе отдельный ступенчатый тепловой импульс wδ принимается с произвольно малой продолжительностью во времени Δη = δ. В момент времени ηi = iδ – δ/2 с начала процесса нагрева его величина равна wi, где i = 1, 2, …, N. Период подачи T = 1, при этом δ = 1/N – см. рис.1. Переход к физическому времени в часах при периоде в ММ часов производится по формуле τ= iδММ.

Далее используется математическая модель [1] с представлением периодической чётной функции wδ рядом Фурье.

Полагаем, что непрерывная подача тепла происходит в течение NN импульсов wj, т.е. составляет долю M = N/NN периода. После соответствующих преобразований и усреднений уравнений для тепловых потоков на поверхностях ограждений и уравнения баланса тепла передаваемого в помещение от отопительных приборов расчётная формула для усреднённой разницы внутренней и наружной температур в момент ηi = iδ имеет вид (см. рис. 2).

Средняя разница температур воздуха за интервал подачи (см. рис. 3).

Теплопроизводительность отопительного прибора на поддержание режима в течение суток:

En = 24 q0 Δtср (4)

Тепло, полученное от теплоисточника в течение суток:

E=24∙wn/M (5)

Относительная экономия энергии:

ΔE=(En-E)/En (6)

Рассчитаем характеристики прерывистых режимов отопления в типовом помещении, использованном в [1] и [3]. Для этого помещения:

– общая площадь ограждающих конструкций F0 = 100м2;

– средний коэффициент теплоусвоения Y0 = 3,5 Вт/(м2 К);

– тепловые потери помещения на 1°С q0 = 23,3 Вт/( К);

– средний коэффициент конвективной теплоотдачи от внутренних поверхностей помещения к воздуху αк = 3.7 Вт/(м2 К);

– стационарная теплоотдача отопительного прибора wn = 1163Вт.

Характеристики переходных процессов разогрева отопительных приборов берутся из [5]. Для конвекторов, состоящих из медных труб алюминиевых тонкостенных пластин оребрения, физическая постоянная времени равна τ0 = 4 мин при точности ε = 0.05, а доля конвективной составляющей теплоотдачи принимается ξк = 0.98.

Для стальных панельных радиаторов физическая постоянная времени τ0 = 30 мин, доля конвективной составляющей теплоотдачи принимается ξк = 0.6, для стальных секционных радиаторов (близких к чугунным) τ0 = 80 мин и ξк = 0.75.

Принятые переходные процессы разогрева в физическом времени показаны на рис.4.

Поскольку затраченное отопительным прибором тепло пропорционально средней разнице температур помещения и наружного воздуха (формула (4)), то сравнительные затраты энергии ∆E1-2 прибора «2» относительно прибора с меньшей тепловой инерцией «1» для достижения средней температуры помещения, получаемой при использовании прибора «1», можно представить так: ∆E1-2 =(Δtср1 - Δtср2) / Δtср1

Сравнивать потребление тепла будем с конвектором. На рис. 5 приведены расчёты потребления тепла радиаторами по сравнению с конвектором при различных периодах его подачи. Доля подачи составляет ¼ периода.

Влияние доли подачи за период показано на рис. 6 (при периоде 8 час).

Изменение разницы температур Δtвз в течение периода проиллюстрировано на рис. 7 для периода 8 час и времени подачи 2 час.

Наибольший экономический эффект наблюдается при коротких периодах прерывистого отопления и уменьшении доли подачи в течении периода. Это обусловлено максимальным различием в скорости разогрева отопительных приборов на начальном интервале времени.

Автор: руководитель отдела технического консалтинга ЗАО ТД «Терморос», к.т.н. Лапин В.М.

Литература:

1. Шкловер А.М. Теплопередача при периодических тепловых воздействиях. М. Госэнергоиздат, 1961.

2. Богословский В.Н. Строительная теплотехника. М. «Высшая школа», 1982.

3. Цаканян С.С., Кошер С.В., Цаканян С.О. Управление расходом тепловой энергии при отоплении помещений. СОК, №8, 2009.

4. СП 23-101-2004. Проектирование тепловой защиты зданий.

5. Лапин В.М., Аршакян А.С., Урусов М.Х. Переходные процессы нагрева/охлаждения отопительных приборов по испытаниям в климатической камере. АВОК №5, 2006.

текст: В. Лапин