Методические рекомендации по анализу систем отопления, вентиляции и горячего водоснабжения

При составлении методических рекомендаций по обследованию систем теплоснабжения объектов Министерства образования и науки РФ и жилищно-коммунального хозяйства в качестве исходной информации рассматриваются данные, полученные в результате углубленного энергетического обследования. Этот вид обследования, в отличии от остальных, является, на наш взгляд, основным видом, т.к. носит комплексный характер и охватывает весь спектр используемых на объекте энергоресурсов.

Методической основой углубленных обследований являются балансовые расчеты всех используемых видов энергоресурсов. В соответствии с действующими СНиПами проводится расчетно-нормативная оценка потребления энергоресурсов. Анализ любой системы энергопотребления заканчивается составлением баланса за базовый год. На основе сравнительного анализа фактического (по платежным документам) и нормативно-расчетного балансов определяются нерациональные потери (потенциал энергосбережения). По результатам обследования разрабатываются энергосберегающие мероприятия по экономии энергоресурсов и снижению финансовых затрат на их оплату.

Как показывает практика, основными потребителями тепловой энергии в учреждениях и объектах жилищно-коммунального хозяйства являются системы отопления, вентиляции и горячего водоснабжения.

Оценка потребления тепловой энергии на отопление и приточную вентиляцию отдельных корпусов и всего объекта в целом проводится, зачастую, расчетным путем. Это обусловлено несколькими причинами:

отсутствием проектной документации с указанием расчетных максимальных часовых отопительных характеристик зданий;
отсутствием покорпусного приборного учета;
изменением структуры объекта, произошедшим с момента ввода его в эксплуатацию (постройка новых и реконструкция существующих корпусов и т.д.).

Расход тепловой энергии на отопление и вентиляцию

Определение количественных показателей расхода теплоты на систему отопления в зависимости от имеющихся исходных данных может проводиться несколькими вариантами:

по укрупненным показателям;
по поверхности нагрева установленных отопительных приборов;
по определению теплопотерь через ограждающие конструкции здания.

При анализе систем отопления зданий и сооружений со значительными тепловыделениями внутри помещений необходимо учитывать теплоизбытки от работающего оборудования, систем освещения и т.д., и корректировать расчетную отопительную нагрузку.

Определение расхода теплоты на отопление и приточную вентиляцию по укрупненным показателям для обеспечения нормативных санитарно-гигиенических условий в помещениях проводится следующим образом. Максимальный часовой расход теплоты на отопление:

где g_о – удельная отопительная характеристика здания, Гкал/(м³час^оС); V – объем здания (корпуса) по наружным размерам, м³; t_вн – температура внутри помещения принимается по СНиП 2.04.05-91 «Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха в зависимости от функционального назначения здания (корпуса)», ^оС; t_нар – расчетная температура наружного воздуха принимается по СНиП 2.01.01-82 «Строительная климатология и геофизика» для соответствующего региона страны.

Удельная отопительная характеристика в зависимости от имеющихся исходных данных может быть получена либо по справочным данным, либо расчетным путем.

В настоящее время имеется значительный объем методических рекомендаций по отраслевому нормированию расхода тепловой энергии на обогрев зданий с указанием численных значений отопительных характеристик в зависимости от типа и размера здания.

При отсутствии справочных данных отопительные характеристики зданий могут быть определены по формуле:

где а – постоянный коэффициент, зависящий от типа строительства; — коэффициент, учитывающий климатические условия; V – объем здания (корпуса) по наружному обмеру.

Годовой расход теплоты на отопление при нормативных условиях работы системы отопления будет определяться:

где — коэффициент, учитывающий эксплуатационные потери теплоты в системе отопления. Для зданий, проект которых выполнен до 1988 г., =1,13, для зданий проект которых выполнен после 1988 г., =1,07; t_ср^о — средняя температура наружного воздуха в отопительный период принимается по СНиП 2.01.01-82; — нормативная продолжительность отопительного периода в часах принимается по СНиП 2.01.01-82.

Максимальный часовой расход теплоты на приточную вентиляцию определяется по формуле:

где g_в – удельная вентиляционная характеристика здания (по справочным данным или расчету), Ккал/м³час ^оС; V – объем здания (корпуса) по наружным размерам, м³; t_вн – температура внутри помещения принимается по СНиП 2.04.05-91 в зависимости от функционального назначения здания (корпуса), ^оС.

По данному СНиПу t_нар для расчета системы отопления и вентиляции принимается одного и того же значения.

Годовой расход теплоты на приточную вентиляцию при нормативных условиях работы:

где – продолжительность работы приточной вентиляции в год в часах.

Следует заметить, что при определении расхода тепловой энергии на отопление и вентиляцию по укрупненным показателям существенное влияние на конечный результат оказывают коэффициенты, учитывающие долю отапливаемой и вентилируемой частей. При обследовании зданий, имеющих сложную конфигурацию с различными пристройками и подвалами, а также в том случае, когда часть помещений здания не отапливается, трудно правильно оценить значения указанных коэффициентов и, следовательно, конечный результат может иметь достаточно большую погрешность. Поэтому в этом случае определение расхода теплоты на отопление необходимо проводить по поверхности нагрева и типу фактически установленных отопительных приборов. В этом случае часовой расход тепловой энергии определяется по формуле:

где: F — поверхность нагрева отопительных приборов, м² (по факту); K — коэффициент теплопередачи нагревательных приборов, Гкал/м²ч⁰С; t^с_ср — средняя температура сетевой воды (в соответствии с температурным графиком; в случае парового отопления — температура насыщенного пара), ^оС; t_вн — температура внутри помещений, ^оС; — коэффициент, учитывающий остывание в трубах систем отопления.

Удельная отопительная характеристика здания при соответствии его конструктивных характеристик проектным данным может быть определена по потерям теплоты через ограждающие конструкции помещения (в соответствии со СНиП 2.04.05-91):

где R – сопротивление теплопередаче наружной стены, м²часоС/Ккал; V – наружный объем здания; F_c – площадь наружных стен; F_п – площадь здания в плане; _{, ,} — коэффициенты, учитывающие увеличение теплопотерь соответственно через окна, потолок, пол.

Суммарный максимальный часовой расход теплоты на отопление и вентиляцию равен:

Максимальный расход сетевой воды в системе отопления и вентиляции будет равен:

где t_пр и t_об – температура прямой и обратной воды в системе теплоснабжения ( =95-70^оС; = 130-70^оС; = 150-70^оС).

Суммарный годовой расход теплоты на отопление и вентиляцию при нормативных условиях составит:

Расчетно-нормативное количество теплоты учитывает то количество теплоты, которое необходимо для обеспечения нормативных условий обогрева корпуса (здания). При этом, имеется ввиду, что система приточной вентиляции функционирует полностью и находится в технически исправном состоянии, а система отопления работает в расчетном режиме.

Однако, для оценки теплопотребления в базовом году необходимо провести еще один расчет при фактических параметрах и , которые были в отопительный период данного города.

Как показывает анализ статистических данных, и (по СНиПу) отличаются от фактических значений и (в базовом году). За последние годы фактические значения и не достигали значений по СНиПу. Так например, для Москвы (по СНиПу) = -3,6^оС, а в период 1996-1998 г.г. фактическое значение (по данным теплосети) =-1,77-1,89^оС. Продолжительность отопительного периода для Москвы (по СНиПу) 213 суток, фактически (по данным теплосети) отопительный период в 1996-1998 г.г. составлял 208-211 суток.

Поэтому для анализа теплопотребления учреждения на отопление и вентиляцию необходимо провести сравнение расчетных данных при фактической продолжительности отопительного сезона и средней фактической температуре наружного воздуха в отопительный период в базовом году с отчетными данными по теплопотреблению (по счетам на оплату) за отчетный базовый год. Разница Q указывает на имеющийся потенциал энергосбережения в системе отопления и вентиляции за счет нерационального расхода. Если данные нормативного расчета при и (фактические значения в базовом году) выше отчетных, это указывает на то, что вследствие неисправного состояния оборудования приточных систем и отопления, искусственного занижения температуры прямой воды (путем прикрывания задвижек), происходит недополучение тепловой энергии и снижение температуры внутри помещений против нормативных значений, что подтверждается, как правило, контрольными замерами температуры воздуха внутри помещений.

Результаты расчета расходов тепла на отопление и вентиляцию могут быть использованы при составлении теплового баланса и разработке энергетического паспорта.

Расход тепловой энергии на воздушно-тепловые завесы

При наличии воздушно-тепловых завес дверей и ворот на обследуемом объекте необходимо учесть затраты тепловой энергии. В этом случае общий расход теплоты на вентиляцию складывается из расхода теплоты на общеобменную приточную вентиляцию и локальную приточную вентиляцию (тепловые завесы).

Годовой расход теплоты на воздушно-тепловые завесы за отопительный период определяется по формуле:

где q_втз – часовой расход воздуха завесы, кг/час; C_в – удельная теплоемкость воздуха, ккал/кг ⁰С; t_втз – температура воздуха завесы после калорифера, ⁰С; t_отб – температура воздуха в помещении в зоне отбора,⁰С; – коэффициент полезного использования тепла; — коэффициент, учитывающий потери тепла с пролетным паром; — продолжительность работы тепловой завесы в сутки; – число рабочих суток за отопительный период; h_втз – количество воздушно-тепловых завес.

Расчет часового расхода воздуха завесы, q_втз проводился поформуле:

где – отношение количества воздуха подаваемого в завесу, к общему количеству воздуха, проходящего через ворота. Для боковых завес = 0,7; – коэффициент расхода воздуха при действии завесы – определяется в зависимости от отношения: В_пр/2b, (где В_пр – ширина ворот, м; b – ширина выпускного патрубка завесы, м), а также величины и угла выпуска струи воздуха . При = 45⁰ и =0,7 оптимальное соотношение В_пр/2b = 30; g — ускорение свободного падения, g = 9,81 м/сек²; и – плотность воздуха снаружи и внутри.

Температура воздуха завесы после калорифера, t_втз – определялась по формуле:

где t_сн – температура воздуха в цехе вблизи ворот; q_пот/q_втз – отношение количества тепла теряемого с воздухом, уходящим через открытый проем наружу, к тепловой мощности завесы (к — коэффициент потери тепла завесой); t_отб— значение температуры воздуха в помещении в зоне отбора.

Расход тепловой энергии на горячее водоснабжение

Расчетные оценки потребления горячей воды на хозяйственно-бытовые нужды при отсутствии приборного учета внутри зданий и сооружений проводятся в соответствии с нормами СНиП 2-04-01-85^* «Внутренний водопровод и канализация зданий».

Существует несколько вариантов определения количественных оценок расхода горячей воды на хозяйственно-бытовые нужды:

по нормам потребления горячей воды на человека в сутки и количеству потребителей;
по фактически установленным водоразборным устройствам и времени их функционирования в сутки;
комбинированным способом.

Годовой расход горячей воды на хозяйственно-бытовые нужды по количеству потребителей (работающих, учащихся и т.д.) проводится по формуле:

где: q_гв^б — норма расхода горячей воды потребителями, л/сутки; N_р — количество потребителей; — количество рабочих дней в году.

Годовой расход горячей воды по количеству установленных водоразборных устройств определяется следующим образом:

где: q_гв^б — норма расхода горячей воды потребителями, л/сутки; m — количество однотипных водоразборных устройств.

Расход тепловой энергии для нагрева воды в водоразборной точке определяется по формуле:

где: G_гв — расход горячей воды в соответствии с нормами, м³/год; С_в — удельная теплоемкость воды; — плотность воды; t_гв и t_хв — среднегодовая температура горячей воды и исходной воды; m — количество водоразборных точек.

Следует заметить, что первые два варианта не позволяют оценить требуемый в соответствии с нормами расход тепловой энергии на нужды горячего водоснабжения.

Первый вариант не учитывает всего потребления горячей воды на хозяйственно-бытовые нужды, в частности:

на душевые сетки;
на нужды столовой (приготовление пищи, мытье посуды);
на полив территорий;
на нужды прачечной (при ее наличии) и т.д.

Второй вариант оценивает потребление горячей воды на хозяйственно-бытовые нужды фактически установленными водоразборными устройствами. Однако их количество может существенно отличаться от необходимого числа, определяемого нормами из СНиП 2-04-01-85 и, следовательно, расчетное значение расхода горячей воды будет не соответствовать нормативному.

В связи с указанными недостатками каждого варианта, на практике получил распространение комбинированный способ определения расхода тепловой энергии на горячее водоснабжение, использующий методическое обеспечение обоих вариантов.

Применение программно-информационных средств для автоматизации расчетов составляющих теплового баланса

Как показывает практика, основная часть времени (в среднем 30-70%, в зависимости от вида обследования) приходится на сбор, обработку и уточнение исходной информации. Учитывая то, что в настоящее время значительно возрос объем работ, связанный с проведением энергетических обследований, наиболее оптимальным средством, позволяющим сократить время обследования, одновременно хранить исходную информацию и результаты расчетов нескольких объектов, содержать нормативные документы и методики различного вида обследований, являются программно-информационные комплексы.

Анализ предлагаемых в настоящее время программных разработок показывает, что большинство из них сводится к проведению нормативных расчетов энергопотребления в соответствии со СНиП и представляют собой пакеты прикладных программ для оценки отдельных видов используемых энергоресурсов (электроэнергия, тепловая энергия, вода). Другая часть разработок сводится к автоматизации процедур ввода, хранения и вывода в соответствующие формы расчетной информации, отраженной в договорах с энергоснабжающими организациями (максимальные часовые, среднегодовые нагрузки, лимиты энергопотребления и т.д.) и фактической информации, полученной по показаниям счетчиков коммерческого учета.

Следует заметить, что нормативные расчеты, изложенные в материалах СНиПов, используются в основном при проектных разработках. С момента реализации проекта, как правило, вносится много изменений, поэтому в процессе энергоаудита реальных объектов при оценке расходной части балансов приходится использовать различные варианты расчета отдельных составляющих.

Центральная задача, решаемая в процессе функционирования программно-информационного комплекса, заключается в обеспечении возможности ввода, обработки, хранения и представления в удобном для анализа виде всего перечня собранной об объекте информации, необходимого для определения потенциала энергосбережения и выработки энергосберегающих мероприятий по соответствующим системам энергопотребления.

Представленные ниже примеры расчета отдельных составляющих теплового баланса выполнены с использованием разработанных в МЭИ программно-информационных средств.

Примеры анализа систем теплопотребления с использованием предлагаемых методических рекомендаций

1. Определение отопительной и вентиляционной нагрузки учебных корпусов, административных и производственных зданий технического университета по укрупненным показателям.

Результаты нормативного расчета максимальных часовых и среднегодовых тепловых нагрузок системы отопления и вентиляции представлены в соответствующих таблицах.

Таблица

Расчетные тепловые нагрузки теплоты на отопление и вентиляцию учебных корпусов и административных зданий

Таблица

Результаты расчета годового потребления тепла на отопление и вентиляцию

* — годовой расход теплоты на отопление и вентиляцию рассчитывается для двух вариантов:

при нормативных условиях Q_в^н по СНиП 2-04-05-91 при средней температуре наружного воздуха;
по фактическим данным (Q_в^фак) при средней температуре наружного воздуха в базовом году.

2. Определение отопительной нагрузки зданий и сооружений различного назначения по поверхности нагрева отопительных приборов, установленных в помещениях.

Результаты расчета часовой и годовой отопительной нагрузки зданий и сооружений приведены в таблице.

Таблица

Результаты расчета расхода теплоты на систему отопления по поверхностям нагрева отопительных приборов

3. Определение расхода теплоты на локальную приточную вентиляцию (тепловые завесы).

Исходные данные для оценки затрат тепловой энергии на тепловые завесы:

отношение количества подаваемого воздуха к общему количеству — 0,7;
коэффициент расхода при геометрических характеристиках завесы, представляющих отношение ширины ворот к двойному значению выпускного патрубка, — 0,15;
температура нагреваемого воздуха в калорифере завесы — +20^оС;
температура воздуха вблизи ворот — +14^оС;
плотность наружного и внутреннего воздуха — 1,32 кг/м³ и 1,22 кг/м³;
нормативное число суток отопительного периода — 213;
удельная теплоемкость воздуха — 0,24 ккал/кг град;
число завес — 6;
коэффициент использования тепла при ручном регулировании — 0,75;
число часов работы завесы — принимается — 3 часа в сутки;
коэффициент, учитывающий потери — 0,8;
Н и В — ширина и высота ворот — 3,5х3,5 м.

В результате расчета получены следующие результаты:

часовой расход воздуха через 1 завесу:

расчетный расход тепла на 1 завесу:

Суммарный расчетный годовой расход тепла на воздушные тепловые завесы в 6 корпусах составляет:

4. Определение расхода теплоты на горячее водоснабжение для хозяйственно-бытовых нужд.

Годовой расход горячей воды на нужды потребителей определяется по формуле:

Суточные нормы потребления горячей воды в соответствии со СНиП 2.04.01-85 составляют:

для работников администрации — 7 л/сутки;

Результаты расчета расходов горячей воды на хозяйственно-бытовые нужды представлены в таблице.

Таблица

Расход горячей воды на хозяйственно-бытовые нужды при нормативных условиях

Расчет годового расхода горячей воды на душевые сетки проводится по формуле:

где: q_гв^дс— норма расхода горячей воды на 1 душевую сетку в смену- 230 л ; n — количество работающих душевых сеток; m – количество смен в сутки; — число рабочих суток в год.

Результаты расчета расходов горячей воды на душевые сетки представлены в таблице.

Таблица

Расход горячей воды на душевые сетки при нормативных условиях

Расчет расхода горячей воды для приготовления пищи в столовой проводится по формуле:

где: q_гв^бл — норма расхода горячей воды на приготовление 1 блюда — 12,7 л; N_бл = 400- количество блюд в сутки; = 252- количество рабочих дней в году.

Количество теплоты, необходимое для подогрева воды на приготовление пищи в столовой, Q_ГВ^ст составляет:

Расчет расхода горячей воды на мытье воды в столовой проводится по формуле:

где: q_гв^мп— норма расхода горячей воды на одну мойку (моечную машину); q_гв^мп = 10280 л/час или 4320 л/сутки; N_бл = 1- количество моечных машин; = 252- количество рабочих дней в году.

Количество теплоты, необходимое для подогрева воды на мытье посуды, Q_ГВ^мп составляет:

Суммарное количество теплоты на горячее водоснабжение Q_ГВ составляет: