Теплоаккумуляционные системы отопления и охлаждения помещений офисных зданий

B. W. Olesen, профессор, член ASHRAE, Международный центр исследования внутренней среды обитания и энергетики, Датский технический университет, otvet@abok.ru

В статье рассматриваются практические результаты компьютерного моделирования процесса регулирования температуры теплоносителя для теплоаккумуляционных систем отопления и охлаждения помещений на примере двух географических зон в Европе и делаются выводы об эффективности использования подобных систем. Статья может быть интересна специалистам в области строительства, заинтересованным в реализации передовых технологий строительства энергоэффективных, «зеленых» зданий.

Теплоаккумуляционные системы отопления и охлаждения помещений всегда привлекали внимание специалистов. Как правило, теплоаккумуляционные системы представляют собой конструкцию перекрытия, в которую замоноличены трубы или электрический кабель. По трубам подается вода, которая в летнее время обеспечивает возможности лучистого охлаждения, а в зимнее время – лучистого отопления помещений.

Привлекательность этих систем объясняется целым рядом причин, в том числе:

1. Возможностью экономии энергетических ресурсов и материалов.
2. Простотой конструкции и эксплуатации.
3. Возможностью поддержания более низкой температуры воздуха в помещении в зимнее время при обеспечении эквивалентной температуры помещения.

Возможности и примеры использования систем лучистого потолочного отопления для охлаждения помещений в летнее время изложены в монографии А.В. Нестеренко [1]. Согласно этим исследованиям, в 50–60-е годы предполагалось широкое опытное использование конструкции перекрытия в качестве теплоаккумуляционных систем охлаждения для многоэтажных жилых зданий в районах Средней Азии. Результаты наблюдений за работой панельных систем охлаждения показали, что при изменении наружной температуры на 11 °C температура воздуха внутри помещения изменялась только на 0,5 °C.

При температуре наружного воздуха +41 °C температура воздуха внутри помещения не превышала +28 °C. Относительная влажность воздуха внутри помещений изменялась в зависимости от изменения влажности наружного воздуха.

Несмотря на высокую эффективность теплоаккумуляционных систем для охлаждения помещений в летнее время в 60-е годы они не получили широкого распространения из-за низкого качества выполнения строительно-монтажных работ и образования частых протечек в период эксплуатации системы.

В начале девяностых в Европе появилась тенденция использования теплоемкости монолитных плит перекрытия между этажами многоэтажных зданий для отопления или охлаждения зданий [3, 4]. Трубы, по которым подается вода для отопления и охлаждения, встраиваются в центр бетонной плиты.

Активация тепловой массы здания дает не только прямой охлаждающий/отапливающий эффект, но также снижает пиковые нагрузки и экономит энергию в периоды, когда здание не используется. Поскольку при охлаждении эти системы работают с температурами воды, близкими к комнатной, они повышают эффективность тепловых насосов, грунтовых теплообменников и иных систем, использующих низкопотенциальные возобновляемые источники энергии.

Для систем лучистого отопления и охлаждения потолочными поверхностями перекрытия характерна относительно малая разность температур между нагреваемой или охлаждаемой поверхностью и воздухом в помещении. Это обеспечивает значительное саморегулирование, поскольку небольшое изменение разности температур существенно влияет на теплопередачу между охлаждаемой или нагреваемой поверхностью и воздухом в помещении.

В исследовании [5] использовано динамическое компьютерное моделирование для изучения различных параметров управления охлаждением в летний период (время работы системы, прерывистая работа циркуляционного насоса и регулирование температуры приточной воды). Исследования показали, что достаточно использовать теплоемкую систему охлаждения в ночное время, так что циркуляционный насос работает в прерывистом режиме, а температуру воды следовало регулировать в течение сезона исходя из температуры наружного воздуха.

В статье приведены результаты дополнительного компьютерного моделирования такой системы. В рамках исследования рассматривались две климатические зоны (Вюрцбург, Германия и Венеция, Италия) в летний и зимний периоды. Также рассматриваются дополнительные алгоритмы регулирования температуры воды в бетонных плитах и эффект зоны нечувствительности комнатной температуры для человека 1 .

Существует мнение, что теплоаккумуляционные системы прерывистой подачи тепла в помещениях во всех случаях обеспечивают экономию энергии, затрачиваемой на отопление/охлаждение, что является их принципиальной особенностью. Ошибочность этого мнения показана Ю. А. Табунщиковым в работе [2], выдержка из которой приведена ниже.

Уравнение прерывистой подачи тепла представим в виде ряда Фурье от функции:

(1)

Определим суммарный расход тепла за период, проинтегрировав в пределах от 0 до t_per левую и правую части уравнения (1):

(2)

Получим, что в правой части все члены с cos (kπt/t_per) при k = 1, 2, 3 … равны нулю, так что

(3)

Это означает, что колебания тепловыделений и связанные с ними колебания температуры внутреннего воздуха на общем расходе тепла не сказываются; он зависит от средней за период температуры внутреннего воздуха. Если при прерывистой теплоподаче значение среднесуточной температуры внутреннего воздуха равно нормативному ее значению, то общий расход тепла остается таким же, как при непрерывной теплоподаче, и экономия энергии не обеспечивается. Подобное положение имеет место при печном отоплении. Для обеспечения экономии энергии необходимо понизить среднесуточное значение температуры внутреннего воздуха, т.е. в течение части зимнего периода она должна быть равна нормативному значению и быть ниже в остальную часть периода.

Одним из критериев возможной длительности перерыва в теплоподаче и связанного с ней понижения температуры внутреннего воздуха является требование о невыпадении конденсата на внутренних поверхностях стен и покрытия. Отметим, что при понижении температуры внутреннего воздуха, если не меняется его влагосодержание, точка росы остается постоянной.

Прерывистая подача тепла рациональна только с автоматическим регулированием по времени и температуре, которое позволяет экономить энергию, избегая ненужного завышения температуры в отапливаемых помещениях, и периодически снижать температуру помещения в соответствии с определенным графиком его использования.

Известно, что прерывистая теплоподача, сокращая общий расход тепла за период, требует более высокой подачи тепла в период натопа. Таким образом, прерывистая подача тепла является экономически выгодной, как правило, при достаточно высокой температуре наружного воздуха, которая имеет место в переходные периоды года, когда можно использовать для натопа имеющуюся мощность системы отопления.

Система прерывистой теплоподачи будет особенно эффективной, если она способна в короткое время без привлечения большой дополнительной мощности повысить температуру внутреннего воздуха до нормативного значения. Проведенные исследования показали, что таким требованиям в значительной степени удовлетворяют так называемые двухкомпонентные системы отопления. Основная (фоновая) часть системы может поддерживать в помещении температуру воздуха порядка +12…+16 °C, а дополнительная в течение короткого промежутка времени может довести ее до нормативной. Система фонового отопления может быть любой теплоемкости, а дополнительная система должна быть малотеплоемкой и легко регулируемой. Возможны варианты теплоемких фоновых систем панельного отопления и безынерционных электродоводчиков (электрорадиаторов или электроконвекторов, оснащенных термостатами) или конвекторы, рассчитанные на внутреннюю температуру +15 °C, с вентиляторами, быстро поднимающими температуру помещения до нормативной.

В практике эксплуатации жилых зданий в настоящее время прерывистая теплоподача имеет место главным образом при электротеплоснабжении зданий. Периодичность теплоснабжения здесь обусловлена использованием внепиковой электроэнергии. Метод этот сводится к подключению электроотопительных приборов и установок и к накапливанию в них тепла исключительно в часы ночных провалов графика нагрузки энергосистемы (аккумуляционное отопление) или во внепиковые периоды (полуаккумуляционное отопление). Тепло, запасенное в отдельных приборах, центральных установках или непосредственно в конструкциях зданий, расходуется в помещении для нужд обогрева по мере надобности.

Электроотопление позволяет наилучшим образом сочетать график потребления электроэнергии для нужд обогрева с суточным графиком нагрузки на энергосистему путем рационального использования аккумулирующих свойств комплекса «здание – система отопления». [2].

Методика

Исследование проводилось с использованием программы динамического моделирования [6]. Многомерные процессы теплопередачи внутри монолитной плиты моделировались с использованием специальной программы, разработанной компанией Fort [7]. Ниже описывается тестовая площадка и другие граничные условия, которые очень похожи на условия, указанные в [5, 8].

Описание системы и тестовой площадки

Рассматриваемая система показана на рис. 1, 2. Потолок/пол состоит из бетонной плиты, в которой замоноличены пластиковые трубы на расстоянии друг от друга 150 мм. Пол отделан слоем звукоизоляции и слоем напольного покрытия. Тепло подается или отводится нагретой или охлажденной водой, протекающей по трубам в монолитной плите. Массовый расход системы постоянный и составляет 350 кг/ч.

Эффект от нагрева и охлаждения потолка описывается при помощи центрального комнатного модуля для офисного здания с расположением офисов по одной из сторон (западной или восточной) коридора. Это характеризует тепловые параметры всех комнат, которые расположены на расстоянии не менее двух комнат от крыши, угловых или подвальных комнат. Геометрические размеры комнатного модуля показаны на рис. 1.

Система прерывистой подачи тепла

Центральный комнатный модуль, используемый в компьютерном моделировании здания с охлаждением бетонных плит. Все размеры указаны в метрах

Пол (рис. 2) состоит из напольного покрытия толщиной 45 мм (λ = 1,4 Вт/м 2 ·°C, с = 1 кДж/кг·°C, ρ = 2000 кг/м 3 ), теплоизоляции толщиной 20 мм (λ = 0,04 Вт/м 2 ·°C, с = 1,5 кДж/кг·°C, ρ = 50 кг/м 3 ) и слоя бетона толщиной 180 мм (λ = 2,1 Вт/м 2 ·°C, с = 1 кДж/кг·°C, ρ = 2400 кг/м 3 ). Внешний диаметр труб составляет 20 мм, расстояние между трубами 150 мм. U‑значение окна равно 1,4 Вт/м 2 ·°C.

Объем комнаты составляет 55,44 м 3 , ее теплоаккумуляционная теплоемкость – 700 кДж/°C.

Расположение пластиковых труб в бетонной плите перекрытия между этажами. Все размеры указаны в мм

Граничные условия

Наружные климатические условия соответствуют условиям Вюрцбурга и Венеции. Данные о температуре наружного воздуха зимой и летом представлены в табл. 1. За лето принят период с 1 мая по 30 сентября, за зиму – с 1 октября по 30 апреля.

Режим работы здания: с понедельника по пятницу с 08:00 до 17:00, перерыв на обед с 12:00 до 13:00. Система работала только в дежурном режиме – с 18:00 до 06:00.

Таблица 1 Расчетные дневные температуры для Вюрцбурга и Венеции

Город Широта, ° Долгота, ° Высота над уровнем моря, м Отопление, по сухому термометру, °C Охлаждение, по сухому термометру, °C 99,6 % 99,0 % 0,4 % 2,0 % Венеция 45,30 N 12,20 E 6 –4,9 –3,1 30,8 28,2 Вюрцбург 50,05 N 8,60 E 113 –11,0 –8,2 30,3 26,7

Исследованные параметры управления

В исследовании рассматривались два параметра управления:

• регулирование температуры воды,
• изменение зоны нечувствительности комнатной температуры для человека.

Регулирование температуры воды

Задача текущего исследования заключалась в анализе работы теплоаккумуляционной системы при температуре воды, которая максимально близка к комнатной. Подача в систему воды при слишком высокой или слишком низкой температуре может привести к перегреву или недостаточному охлаждению.

Температура приточной воды была ограничена так, чтобы она была не ниже точки росы в помещении. Для этой цели при проведении компьютерного моделирования также учитывался баланс влажности: влаговыделения от людей, поступление влажности с наружным воздухом при его инфильтрации. Это позволило рассчитать точку росы для перекрытия/покрытия помещения для каждого промежуточного временного шага расчетной модели.

Вместо регулирования температуры приточной воды более эффективным может быть регулирование средней температуры воды, определяемой по формуле
(t_{обратная} – t_{приточная})/2. Температура обратной воды зависит от температуры в помещении. При постоянной температуре приточной воды увеличение внутренних тепловых нагрузок за счет тепла солнечной радиации и внутренних технологических тепловыделений приводит к повышению температуры обратной воды. В этом случае увеличится средняя температура воды и уменьшится охлаждающий потенциал. Если, наоборот, контролировать среднюю температуру воды, увеличение температуры обратной воды будет автоматически компенсировано снижением температуры приточной воды.

В хорошо спроектированном здании с низкими нагрузками на отопление и охлаждение система может работать при постоянной температуре воды. В исследовании рассматривались следующие варианты регулирования температуры воды:

• Температура приточной воды является функцией от температуры наружного воздуха согласно следующему уравнению:
  t_{приточная} = 0,52 (20 – t_{наружная}) + 20 – 1,6 (t₀ – 22), °C (эксперимент 801 2 ).
• Средняя температура воды является функцией наружной температуры согласно следующему уравнению:
  t_{средняя} = 0,52 (20 – t_{наружная}) + 20 – 1,6 (t₀ – 22), °C (эксперимент 901).
• Средняя температура воды постоянная и равна +22 °C летом и +25 °C зимой (эксперимент 1201).
• Температура приточной воды является функцией наружной температуры согласно следующим уравнениям:
  t_{приточная} = 0,35 (18 – t_{наружная}) + 18, °C (летом; эксперимент 1401),
  t_{приточная} = 0,45 (18 – t_{наружная}) + 18, °C (зимой; эксперимент 1401).

Зона нечувствительности комнатной температуры для человека

Во избежание слишком частого переключения между режимами охлаждения и отопления рекомендуется останавливать циркуляционный насос в определенной полосе комнатных температур – зоне так называемой нечувствительности комнатной температуры для человека. В исследовании [5] использовалась зона нечувствительности от +22 до +23 °C. Это означает, что когда эквивалентная комнатная температура превысит +23 °C, система запустится в режиме охлаждения. Если эквивалентная комнатная температура будет ниже +22 °C, система заработает в режиме отопления. Между этими ситуациями циркуляционный насос остановлен.

В данном исследовании рассматривались следующие зоны нечувствительности:

• +22…+23 °C (эксперимент 901–1),
• +21…+23 °C (эксперимент 901–8),
• +21…+24 °C (эксперимент 901–9).

Таблица 2 Тепловые характеристики здания

Внутренние тепловыделения В рабочем режиме – 550 Вт, что соответствует 27,8 Вт/м 2 . Это соответствует двум пользователям, двум компьютерам, принтеру и освещению. В обеденный перерыв – 350 Вт, что соответствует 17,7 Вт/м 2 , конвективная составляющая – 50 %, лучистая составляющая – 50 %. Влаговыделения В рабочем режиме – 100 г/ч. Кратность воздухообмена В дежурном режиме – 0,3 ч -1 (инфильтрация). В рабочем режиме – 1,5 ч -1 ( 11 л/с на человека). Солнцезащита В рабочем режиме от прямого воздействия солнечного света при эквивалентной температуре выше +23 °C, понижающий коэффициент z = 0,5.

Результаты и обсуждение

Моделирование проводилось для комнат, выходящих на восток и запад. В данной статье представлены результаты только для комнат, выходящих на запад.

Представлены результаты для летнего периода – с 1 мая по 30 сентября, и зимнего периода – с 1 октября по 30 апреля.

Общее количество часов в каждый период

3690, число рабочих дней

109, число рабочих часов

981. Результаты рассматривались с точки зрения теплового комфорта: диапазон изменения эквивалентной температуры, дневное смещение эквивалентной температуры в рабочем режиме использования помещения и энергетических затрат, включая часы работы циркуляционного насоса, а также энергии, подаваемой или отводимой воды, циркулирующей в системе.

Расчетные эквивалентные температуры можно сравнить с диапазоном комфортности +23…+26 °C, рекомендуемым для летнего периода (период охлаждения), и +20…+24 °C, рекомендуемым для зимнего периода (период отопления) [9, 10, 11], исходя из фиксированного показателя, характеризующего теплоизоляционные качества различных видов одежды – 0,5 clo 3 для лета и 1,0 clo для зимы, что может быть неактуально для всего периода.

Исследование регулирования температуры воды

Результаты моделирования показаны в табл. 3 для летнего периода и в табл. 4 для зимнего периода.

Эквивалентная температура для экспериментов 801, 901 и 1401 (табл. 3) указана для большей части времени (> 85%) в комфортном диапазоне (+22…+26 °C). В Вюрцбурге температура +27 °C не превышается никогда, а +26 °C превышается менее 5% от всего времени. В Венеции только 5% температур превышают +27 °C. Разница между регулировкой температуры приточной воды (эксперимент 801) и средней температуры воды (эксперимент 901) незначительна. В эксперименте 1401 регулировка не учитывает внутренние эквивалентные температуры, но результаты практически идентичны экспериментам 801 и 901. При постоянной средней температуре воды (+22 °C) охлаждающий эффект слишком низкий, а эквивалентная температура часто слишком высока (60% от всего времени выше +27 °C в Венеции и 27% в Вюрцбурге).

Для Венеции энергопотребление для экспериментов 801, 901 и 1401 одинаково. Однако для Вюрцбурга энергопотребление в эксперименте 1401 приблизительно на 10% ниже, чем в экспериментах 801 и 901. Энергопотребление в эксперименте 1201 при постоянной температуре воды относительно высокое.

Время работы насоса для эксперимента 1401 равно аналогичному показателю других экспериментов или ниже его.

В летний период эксперимент 1401 в целом лучше, чем другие. Из-за более теплого климата в Венеции (табл. 1) комнатные температуры выше, энергопотребление и время работы насоса также выше, чем в Вюрцбурге.

В зимний период (табл. 4) эксперименты 801, 901 и 1401 дают более комфортные условия. В Венеции комнатная температура превышала диапазон +20…+24 °C менее 12% от всего времени. В эксперименте 1401 комнатная температура была ниже +20 °C в течение 4% от всего времени.

С точки зрения энергопотребления эксперимент 1401, опять же, приблизительно на 10% лучше, чем эксперименты 801 и 901, но время работы насоса существенно выше.

В зимнее время энергопотребление в Вюрцбурге, как и ожидалось, выше, чем в Венеции.

Очевидно, что при правильном регулировании система с теплоаккумуляционными плитами не только способна снижать комнатную температуру до комфортного уровня, но и может нагревать помещение до комфортного уровня при ее использовании в качестве единственной системы отопления.

Эквивалентные температуры, температурный дрейф, время работы насоса и передача энергии для разных вариантов регулирования температуры воды (летний период, часы работы системы – с 18:00 до 06:00)

Эквивалентные температуры, температурный дрейф, время работы насоса и передача энергии для разных стратегий регулирования температуры воды (зимний период, часы работы системы – с 18:00 до 06:00)

Исследование зоны нечувствительности комнатной температуры для человека

Для минимизации работы системы в режиме отопления и охлаждения в течение суток и снижения времени работы насоса рекомендуется позволить тепловому режиму помещения находиться в зоне нечувствительности комнатной температуры для человека. В исследованиях [5] она всегда принималась равной +22…+23 °C. В рамках данного исследования были испытаны две дополнительных зоны нечувствительности, +21…+23 °C и +21…+24 °C. Результаты исследования для летнего периода показаны в табл. 5, для зимнего периода – в табл. 6. Во всех экспериментах температура приточной воды регулировалась в соответствии с экспериментом 901 и постоянной кратностью вентиляции 0,8 воздухообмена в час в течение всего дня.

В летний период зоны нечувствительности +22…+23 °C и +21…+23 °C дают одинаковые результаты с точки зрения распределения эквивалентных температур, энергопотребления и времени работы насоса. Зона нечувствительности +21…+24 °C дает немного более высокие комнатные температуры, особенно в Венеции. Время работы насоса существенно снижается, но энергопотребление практически такое же, что и для двух других полос нечувствительности.

В зимнее время максимальный эффект дает снижение зоны нечувствительности с +22 до +21 °C. Это снижает энергопотребление на отопление, причем в течение 20% времени эквивалентные температуры будут в диапазоне +20…+21 °C, но всегда выше +20 °C.

Анализ зоны нечувствительности комнатной температуры для человека показывает, что при оптимизации зоны нечувствительности можно уменьшить энергопотребление на отопление/охлаждение и время работы насоса без ущерба для теплового комфорта. Зона нечувствительности не должна превышать 2 °C.

Эквивалентные температуры, дрейф температуры, время работы насоса и передача энергии при разных зонах нечувствительности комнатной температуры (летний период, часы работы системы – с 18:00 до 06:00).

Эквивалентные температуры, дрейф температуры, время работы насоса и передача энергии при разных зонах нечувствительности комнатной температуры (зимний период, часы работы системы – 18:00 до 06:00)

Вывод

В статье представлены результаты динамического компьютерного моделирования разных вариантов регулирования для водяных лучистых систем охлаждения и отопления с теплоаккумуляционными системами – трубопроводами в бетонных плитах перекрытия. Исследование системы проводилось для летнего и зимнего периодов в двух географических регионах: Венеция и Вюрцбург.

Наилучшая эффективность с точки зрения комфорта и энергопотребления достигается при регулировании температуры воды (приточной или средней) как функции от температуры наружного воздуха. При этом не нужно учитывать комнатную температуру.

Для дальнейшего снижения энергопотребления (потребления энергии на отопление и охлаждение, времени работы насоса) можно ввести интервал комнатной температуры шириной 2 °C (зона нечувствительности), в течение которого циркуляционный насос остановлен.

Система была способна поддерживать комнатную температуру в комфортном диапазоне как в летний период охлаждения, так и в зимний период отопления в обеих климатических зонах.

Литература

1. Нестеренко А.В. Основы термодинамических расчетов вентиляции и кондиционирования воздуха. М. : Высшая школа, 1971.
2. Табунщиков Ю.А., Бродач М.М. Математическое моделирование и оптимизация тепловой эффективности зданий. М. : АВОК-ПРЕСС, 2002.
3. Meierhans R.A. Slab cooling and earth coupling // ASHRAE Trans.– 1993.– V. 99.– Pt. 2.
4. Meierhans R.A. Room air conditioning by means of overnight cooling of the concrete ceiling // ASHRAE Trans.– 1996.– V. 102.– Pt. 2.
5. Olesen B.W., Sommer K. and Düchting B. Control of slab heating and cooling systems studied by dynamic computer simulations // ASHRAE Trans.– 2000.– V. 108.– Pt. 2.
6. TRNSYS 14.2. User’s Manual. 1998.
7. Fort K. Type 160: Floor Heating and Hypocaust. 1996.
8. Hauser G., Kempkes Ch., Olesen B.W. Computer simulation of the performance of a hydronic heating and cooling system with pipes embedded into the concrete slab between each floor // ASHRAE Trans.– 2000.– V. 106. – Pt. 1.
9. Thermal Environmental Conditions for Human Occupancy // ASHRAE.– 1992.– № 55.
10. CEN CR 1752. Ventilation for Buildings: Design Criteria for the Indoor environment. Brussels, 1998.
11. EN ISO 7730. Moderate thermal environments – determination of the PMV and PPD indices and specification of the conditions for thermal comfort. 1993.

Перепечатано из журнала «ASHRAE» с дополнениями научного редактора

1 Понятие нечувствительности означает, что терморегуляция человека практически не реагирует на происходящие незначительные изменения теплового режима помещения. – Прим. ред.

2 Здесь и далее нумерация экспериментов присвоена исследователем. – Прим. ред.

3 1 clo эквивалентен 0,155 (м 2 ·°C)/Вт. Подробнее об этом показателе см. ASHRAE Handbook. Fundamentals. SI Edition. 2005 – с. 8.8. – Прим. ред.