Новости

Новости

Термодинамический анализ потоков теплоты в зданиях


Процессы нагрева и охлаждения, подачи и удаления воздуха и горячей воды осуществляются почти одновременно в одном и том же здании или помещении здания. При этом часто существует практика удаления лишней теплоты из помещений с одновременной подачей ее от внешних источников.
Если рассмотреть тепловой баланс здания, то основными статьями прихода и расхода теплоты будут

где Q1 — теплопотери через ограждающие конструкции, Вт;
Q2 — теплопотери за счет удаления нагретого воздуха при работе вентиляции, Вт;
Q3 — теплопотери с удаляемыми сточными водами, Вт;
Q4 — теплопоступления от технологического оборудования (в том числе освещения), Вт;
Q5 — теплопоступления от системы отопления, Вт;
Q6 — теплопоступления от системы горячего водоснабжения, Вт.
Перечисленные статьи баланса неравнозначны. Об этом можно судить по данным составляющих тепловых поступлений и потерь 72-квартирного жилого дома, представленным в табл. 2.1.

He считая теплопотерь в окружающую среду, наиболее значительные потери теплоты с удаляемым воздухом и сточными водами.
Оценка эффективности использования теплоты в зданиях может быть дана на основании эксергетического анализа.
Приведенная к зданию тепловая энергия состоит из полезно используемой части энергии, эксергии и части энергии, удаляемой из помещений с различными теплоносителями, энергии. Сам процесс поддержания микроклимата нуждается в обоих видах энергии и при этом в точно определенных количествах. Воспользовавшись выражением (2.18) определим соотношение потока эксергии и анергии для помещений с постоянной внутренней температурой воздуха.
Величина эксергетического числа «0» зависит от значений абсолютных температур воздуха внутри и вне помещения. В табл. 2.2 представлены значения эксергетического числа в зависимости от температуры окружающей среды T0 при Tв = 293 К.

Небольшие значения О означают, что для поддержания микроклимата в помещениях требуется очень мало эксергии.
На рис. 2.8 представлены мощности потоков теплоты, эксергии и анергии, подводимых к жилому зданию в зависимости от температуры наружного воздуха. Графики построены по данным табл. 2.1 с использованием формулы (2.5). С уменьшением температуры окружающей среды увеличивается поток эксергии, необходимый для создания микроклимата в помещениях здания. Ho все же около 70% подводимой теплоты составляет анергия. Следовательно, в процессе создания микроклимата помещений необходим подвод «смеси» эксергии и анергии. Как эта «смесь» образована, для процесса не имеет значения. Эксергию обычно получают от генераторов энергии. Типичным примером анергии является внутренняя энергия среды в помещениях или вне их. Отсюда ее можно взять.
Превращение эксергии в анергию один из старейших технических процессов, а экономия эксергии, уменьшение части анергии или превращение анергии в эксергию - новое направление в системах создания микроклимата зданий. Связано это направление с использованием регенерации теплоты, вторичных энергетических ресурсов и возобновляемых источников энергии.

Решение конкретных задач экономии эксергии в системах инженерного обеспечения зданий может осуществляться по замкнутой (рис. 2.9) или разомкнутой (рис. 2.10) схемам. По замкнутой, регенеративной схеме повышение использования эксергии потока теплоты происходит за счет анергии этого же потока. Выполнение указанного процесса осуществимо с использованием теплоутилизационного оборудования, установленного непосредственно в здании. По разомкнутой схеме тепловая энергия полностью или частично поступает от источника вторичных энергоресурсов, в качестве которых могут быть теплоиспользующие установки промышленных предприятий, крупные компрессорные станции и т.д.

Возвратимся к тепловому балансу здания (табл. 2.1) и оценим постатейно возможности снижения расхода энергии на поддержание условий микроклимата помещений при получении смеси эксергии и анергии.
Экономию теплоты можно получить при организации надежной тепловой защиты зданий. Для этого используется «статическая» теплоизоляция с применением высокоэффективных теплоизоляционных материалов. Ho того же эффекта можно добиться, если направленный внутрь или наружу через ограждающие конструкции тепловой поток уменьшить путем отбора части теплоты и возврата его в здание. Осуществить это можно при создании так называемой «динамической» теплоизоляции, связанной с восстановлением анергии теплоты в эксергию. В основу «динамической» теплоизоляции положен принцип организации движения наружного или удаляемого воздуха по каналам, расположенным внутри ограждающих конструкций. Циркулирующий по каналам воздух специально подготовлен, имеет заданные параметры, что позволяет снизить передачу теплоты через ограждающие конструкции и частично ее утилизировать по регенеративной схеме.
Подготовка воздуха перед подачей его в вентилируемую прослойку осуществляется по схеме, представленной на рис. 2.11. Циркулирующий по замкнутому контуру воздух нагревается до температуры 10°C за счет теплоты удаляемых дымовых газов от генератора теплоты. В качестве утилизатора теплоты используется рекуперативный теплообменник. Потери теплоты зданием с ограждающими конструкциями и динамической теплоизоляцией по сравнению с потерями этого же здания с типовыми ограждающими конструкциями из красного кирпича меньше на 40%.

Возможны и другие технические решения получения «смеси» эксергии и анергии для поддержания температуры в помещениях отапливаемых зданий жилого, гражданского и промышленного назначения.
Теплота вентиляционных выбросов, сточных и отработанных вод является анергией процессов происходящих в зданиях. Утилизация ее, проводимая по регенеративной схеме, также является примером восстановления анергии в эксергию.
Нетрадиционные источники теплоты и ряд теплоносителей вторичных энергоресурсов имеют потенциал не позволяющий использовать их непосредственно в системах инженерного оборудования зданий, т.к. их теплота является практически анергией.
Повышение ценности потоков такой теплоты возможно с повышением ее потенциала, т.е. перевода анергии теплоты в эксергию с применением тепловых насосов. В тепловом насосе происходит объединение потоков эксергии и анергии. Эксергия подводится как высокоорганизованная энергия привода теплового насоса, а анергия извлекается из окружающей среды или от источников вторичных ресурсов.