Тепловой режим и вентиляция промышленных объектов
Современные промышленные предприятия занимают производственные помещения, объемы которых достигают 105–106 куб. м и более. Соответственно, строительные конструкции таких зданий имеют площади, составляющие (1,0–1,5)•105 кв. м.
Для поддержания комфортных климатических условий в производственных помещениях необходимо затрачивать определенное количество энергии, прежде всего — тепловой.
Общие затраты энергии на вентиляцию суммируются из затрат электрической энергии на перемещение воздуха вентиляторами по вентиляционным каналам и тепловой энергии на подогрев, а в общем случае — и на охлаждение приточного воздуха.
В табл. 1 показаны годовые затраты энергии на вентиляцию для некоторых предприятий ОАО «ТВЭЛ».
Табл. 1. Годовые затраты энергии на вентиляцию
|
Здание
|
Годовые затраты энергии, 106 кВт•ч
|
Удельный вес годовых затрат энергии на вентиляцию, %
|
|||||
|
Вентиляция
|
Технология
|
Всего по зданию
|
В целом
|
Нагрев притока
|
|||
|
Электро-привод
|
Нагрев притока
|
Всего
|
|||||
|
ОАО «НЗХК»
|
|||||||
|
336Б
|
2,3
|
14,82
|
17,12
|
21,4
|
38,52
|
44,4
|
38,5
|
|
631
|
14,89
|
30,59
|
45,48
|
12,1
|
57,58
|
79
|
53,1
|
|
655
|
5,22
|
17,81
|
23,03
|
8,28
|
31,31
|
73,6
|
56,9
|
|
663
|
2,27
|
5,19
|
7,46
|
6,42
|
13,88
|
53,7
|
37,4
|
|
ОАО «ЧМЗ»
|
|||||||
|
750
|
2,58
|
19,25
|
21,83
|
10,8
|
40,92
|
53,3
|
47
|
|
40
|
0,44
|
1,97
|
2,41
|
0,72
|
3,13
|
77
|
62,9
|
|
45
|
1,03
|
2,07
|
3,1
|
1
|
4,1
|
75,6
|
50,5
|
|
760
|
0,39
|
1,27
|
1,66
|
0,24
|
1,9
|
87,4
|
66,8
|
Как следует из табл. 1, удельный вес годовых затрат энергии на вентиляцию по зданиям ОАО «НЗХК» составлял (44,4–79,0)%, а по зданиям ОАО «ЧМЗ» ~ (53,3–87,4)% от общих затрат, в том числе на нагрев притока расходовалось, соответственно, для первого от 37,4% до 56,9%, а для второго ~ от 47,0 до 66,8%.
Удельные затраты электрической энергии на транспортировку воздуха вентиляционной системой (кВт. ч/куб. м)
Z = N/L,(1)
где L — расход воздуха вентилятора, куб. м/ч; N — установленная мощность электродвигателя привода вентилятора, кВт.
Количество тепловой энергии (кВтч), затрачиваемой на подогрев притока, определяется уравнением:
Q = Cp•с(tn–tcp)LnTп,(2)
где Cp — удельная теплоемкость воздуха, кДж/(кгград), с — плотность воздуха, кг/куб. м, tn — температура воздуха в рабочих помещениях, регламентируемая нормативными документами, 0С, tcp — средняя температура наружного воздуха за отопительный период, 0С, Ln — расход воздуха приточной системы, куб. м/сек., Tп — длительность отопительного периода, час.
Удельные затраты тепловой энергии выражает уравнение
qуд= Cр•с(tn–tср)/3 600.(3)
Из уравнения (3) следует, что удельные затраты энергии на нагрев приточного воздуха определяются только климатическими условиями рассматриваемого региона, т. е. значениями tср.
Табл. 2. Удельные затраты энергии на вентиляцию, 10-3 кВтч/куб. м
|
Предприятие
|
Здание
|
Перемещение воздуха
|
Нагрев притока
|
||
|
Приточные
|
Вытяжные
|
Местные
|
|||
|
ОАО «НЗХК»
|
336Б
|
0,46
|
1,07
|
0,79–9,17
|
5,44
|
|
631
|
2,25–2,38
|
1,48–2,46
|
- |
||
|
28
|
1,11–2,75
|
2,28
|
2,78–10,0
|
||
|
37
|
1,51–2,31
|
1,23
|
0,91–5,26
|
||
|
ОАО «ЧМЗ»
|
40
|
0,78–1,52
|
- |
0,45–2,81
|
5,13
|
|
45
|
0,69–0,75
|
- |
1,19–1,49
|
||
|
760
|
1,22–1,51
|
- |
2,15
|
||
|
ОАО «МЗ»
|
274
|
0,66–2,08
|
0,72–4,18
|
0,75–18,8
|
4,39
|
|
Среднее
|
1,27
|
1,92
|
3,83
|
4,99
|
|
В табл. 2 приведены фактические значения удельных затрат энергии на вентиляцию по предприятиям ОАО «НЗХК», ОАО «ЧМЗ» и ОАО «Машиностроительный завод».
Как следует из табл. 2, средние удельные затраты электрической энергии на перемещение воздуха приточными системами составляли 1,27, вытяжных общеобменных — 1,92, местных вытяжных — 3,83 кВтч на тысячу куб. м. При этом на нагрев приточного воздуха удельный расход тепла превышал затраты электрической энергии на механическое перемещение средствами вентиляции в 2,6–3,9 раза.
Для регионов России, где отопительный сезон составляет значительную часть годового периода, основное потребление энергии вентиляцией связано прежде всего с нагревом приточного воздуха.
Тепловая энергия, подаваемая в производственные здания, расходуется на компенсацию теплопотерь ограждающими строительными конструкциями и уносится с удаляемым воздухом.
Табл. 3. Расчет составляющих теплового баланса в здании 750 ОАО «ЧМЗ»
|
Составляющие теплового баланса
|
N, кВт
|
Удельный вес,%
|
|
Поступление тепловой энергии на нагрев воздуха
|
||
|
Калориферы приточных систем
|
5 123
|
83,5
|
|
Освещение
|
108
|
1,8
|
|
Выделение тепла при работе электродвигателей
|
134
|
2,2
|
|
Выделение тепла технологическим оборудованием
|
770
|
12,5
|
|
Всего расходуется на нагрев воздуха
|
6 135
|
100
|
|
Расход тепловой энергии на нагрев воздуха
|
||
|
Теплопотери здания
|
1 971
|
32,1
|
|
Расход тепла с удаляемым воздухом
|
3 950
|
64,4
|
|
Расход тепла на испарение воды
|
214
|
3,5
|
|
Всего по расходу тепла
|
6 135
|
100
|
В табл. 3 приведены результаты расчетов составляющих теплового баланса по зданию 750 ОАО «ЧМЗ».
Как видно из табл. 3, наиболее значимыми источниками нагрева воздуха в здании 750 являются калориферы (5 123 кВт). Их вклад в общий приход энергии нагрева составлял 83,5%. Выделение тепла технологическим оборудованием составляло 12,5%.
Основной расход тепловой энергии в здании 750 связан с потерями тепла с удаляемым воздухом (3 950 кВт, или 64,4%) и теплопотерями здания через его конструкции (1 971 кВт, или 32,1%).
С учетом затрат энергии на технологию (682 кВт) потери тепла через ограждающие конструкции здания 750 составляют 1 971/(6 135+682)=0,289, т. е. 28,9% общего теплопоступления.
Расчет вентиляции и отопления обычно производится исходя из климатических характеристик района предприятия, без учета потерь тепла, связанных с термическими характеристиками строительных конструкций и геометрии здания.
Большинство существующих промышленных объектов сооружены из конструкций, имеющих низкие термические сопротивления, а требования по теплозащите зданий не пересматриваются, что должно делаться с учетом изменения стоимости энергоносителей. Как следствие этого, теплопотери через ограждающие конструкции достигают 20% и более годового потребления энергии зданием [1].
Как отмечалось выше, при расчете вентиляции производственного помещения удельный расход энергии на единицу объема воздуха (уравнение 3) определяется только климатическими условиями и не учитывает теплопотерь зданием.
Для компенсации теплопотерь через строительные и ограждающие конструкции целесообразно в расчет тепла для подогрева приточного воздуха вводить поправочный коэффициент
, (4)
где tn и tв — соответственно, температуры приточного и удаляемого воздуха.
Таким образом, реальные величины расходов тепла для подогрева приточного воздуха должны приниматься с учетом коэффициента kп, характеризующего теплопотери здания. При этом удельные расходы тепла составят
q = (1+ kп)cpс(tп — tх).(5)
Величина «kп» при наличии теплоизбытков может быть отрицательной, что позволяет корректировать расходы тепла для подогрева приточного воздуха.
Теплопотери зданий усугубляются наличием масштабных поверхностей остекления боковых стен и «фонарей» в верхней части здания. Негерметичность остекления и теплопередача через стекла сопровождаются значительными дополнительными теплопотерями.
По данным Государственного оптического института (Санкт-Петербург), для климатических условий средней полосы России потери тепла через обычное двойное остекление на каждые 1 000 кв. м составляют за отопительный сезон более 600 тыс. кВт•ч и могут быть уменьшены за счет применения солнце- и теплозащитных стекол на 20–25%.
Потери тепла зданием через строительные конструкции (кирпичная кладка и бетонные плиты) составляют на каждые 1 000 кв. м поверхности здания для предприятий рассматриваемого региона, соответственно, 400 тыс. кВт•ч, что при поверхности здания площадью 10 тыс. кв. м определит потери тепла за один отопительный сезон в среднем 4 млн. кВт•ч.
Через обычное остекление промышленных зданий теряется за отопительный сезон до 20% тепловой энергии. Еще более значительными могут быть потери через строительные конструкции, величина которых может достигать 30% и более. В конечном итоге до 50% тепла выносится из здания с удаляемым воздухом.
С целью сокращения потерь тепла через остекление целесообразно использовать энергосберегающие светопрозрачные конструкции с применением теплозащитных и светозащитных стекол. Большой эффект дает установка стеклопакетов. Например, для условий Санкт-Петербурга использование стеклопакета с теплосберегающим стеклом обеспечивает экономию в 230 кВт•ч/кв. м (0,2 Гкал) в год.
В комплексе со светозащитным стеклом стеклопакет позволяет экономить до 400 кВт•ч/кв. м (0,34 Гкал).
Применение стеклопакетов с тепло- и солнцезащитным стеклом позволяет сократить поток солнечной энергии в помещение примерно в 5 раз, что решает проблему перегрева зданий в теплый период года. В качестве примера на рис. приведены данные измерений разности температур воздуха в помещении ОТК в здании 745 ОАО ЧМЗ и наружного воздуха за июль 2005 и 2006 гг.
Основными особенностями данного помещения являются:
- наличие вертикальной стены площадью 632 кв. м, что составляет около 25% общей площади стены юго-западной ориентации;
- размещение контрольно-измерительного оборудования в помещении, для надежной работы которого требуется соблюдение температурного режима не выше 25 0С.
Средняя разность температур воздуха в течение трех суток между помещением ОТК и метеобудкой
Как следует из рис., после установки вместо обычного остекления стеклопакетов с тепло- и солнцезащитным стеклом удалось нормализовать ситуацию в помещении ОТК в наиболее напряженные дневной и вечерний периоды летнего времени — температура в помещении примерно до 20 час. была ниже температуры наружного воздуха.
Повышение экономичности проветривания производственных помещений целесообразно осуществлять за счет сокращения общих энергетических затрат на вентиляцию путем оптимизации расходов приточного воздуха и управления тепловым режимом здания.
Наряду с методами энергосбережения, направленными на уменьшение тепловых потерь через ограждающие конструкции зданий и сооружений, герметизация и утепление оконных проемов дверей, ворот и т. п., основное снижение энергопотребления зданий целесообразно осуществлять за счет применения современных средств вентиляции и ее рациональной организации, которые предусматривают:
- частичную или полную рециркуляцию воздуха;
- рекуперацию низкотемпературного тепла, удаляемого системами вытяжной вентиляции;
- оптимизацию воздухообмена внутри проветриваемых помещений.
Применение рециркуляционного способа проветривания позволяет очищенный воздух, подготовленный по тепловлажностным параметрам, повторно использовать для целей вентиляции, что сокращает общий объем выбрасываемого в атмосферу воздуха и энергетические затраты на проветривание.
Применение методов рекуперации позволяет максимально утилизировать низкотемпературное тепло, удаляемое системами вытяжной вентиляции. При этом вентиляционные агрегаты работают в течение длительного времени без догревающего калорифера, что достигается утилизацией тепла до 80% из удаляемого воздуха, и обеспечивается подача необходимых объемов чистого воздуха.
В заключении сделаем следующие выводы:
1. Современные промышленные предприятия требуют для вентиляции производственных помещений больших затрат тепловой энергии для подогрева подаваемого в помещения приточного воздуха.
2. Необходимость компенсации потерь тепловой энергии ограждающими конструкциями существенно увеличивает расход тепла для поддержания параметров микроклимата в производственном здании.
3. Применение современных стеклопакетов с тепло- и солнцезащитными стеклами позволяет сократить расход тепла в зимнее время и решить проблему перегрева воздуха в здании в летний период года.
4. Эксплуатационные затраты на вентиляцию могут быть существенно сокращены за счет надежной тепловой защиты строительных конструкций здания и применения современных методов и средств энергосберегающей вентиляции.
Литература
1. Самарин О. Д. «Современная ситуация с нормированием теплозащиты ограждающих конструкций в зданиях и альтернативная концепция энергосбережения». Инженерные системы/АВОК — Северо-Запад, 2006, № 3. С. 24–28.
Представительство Systemair
101000, Россия, Москва, Архангельский пер., д. 7, стр. 1, офис 2
Тел: +7 (495) 933 1436, 933 1437, 933 1441, 933 1442, 933 1448, факс +7 (495) 933 1431
| Автор: Н. З. Битколов, И. И. Иванов Дата: 03.11.2006 Журнал Стройпрофиль 7-06 Рубрика: вентиляция и кондиционирование Внимание: Публикация является архивной и на текущий момент может быть не достоверной. |