Мини стерст во с г ро и гсл ьст ва и жилищно-коммунальною хозяйства Российской Фелеранни

Федеральное автономное учреждение «Федеральный центр нормирования, стандартизации и оценки соответствия в строительстве»

Методическое пособие

МЕТОДИКА РАСЧЕТА ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ СИСТЕМ ОТОПЛЕНИЯ ЖИЛЫХ И ОБЩЕСТВЕННЫХ ЗДАНИЙ

Москва 2018

СОДЕРЖАНИЕ

Введение............................................................................. 3

1    Область применения............................................................. 5

2    Нормативные ссылки............................................................ 6

3    Термины и определения..........................................................

4    Общие положения................................................................ 10

5    Особенности оценки энергетической эффективности систем

отопления для жилых и общественных зданий в рамках комплексной оценки энергопотребления здания..........................

6    Методика расчета энергетической эффективности систем водяного

отопления жилых и общественных зданий.................................. 41

7    Особенности оценки энергетической эффективности систем внутреннего теплоснабжения для нужд систем вентиляции для

жилых и общественных зданий................................................ ^ I

Приложение А Примеры по определению энергетической

эффективности центральной системы водяного отопления.................. $8

Приложение Б Расчет потери давления по длине и в местных сопротивлениях.................................................................................................... ^2

Приложение В Теплоотдача открыто проложенных труб.................... 98

Приложение Г Определение дополнтельных тепловых потерь зарадиаторными участками наружных ограждений........................... 100

Приложение Д Физические свойства воды и гликолей....................... 101

Список использованной литературы............................................. 102

4.2 Процесс регулирования осуществляется на различных ступенях транспортирования тепловой энергии от источника до потребителя (рисунок 4.1).

Рисунок 4.1 - Этапы эксплуатационного регулирования теплоподачи на отопление зданий в условиях городской застройки [4J: I - центральное на теплоисточнике; II - групповое в центральном тепловом пункте (ЦТП); 111 местное в индивидуальном тепловом пункте (ИТП) или в собственной котельной; IV - узловое на входе в сложный элемент или в часть системы отопления; V - индивидуальное в отопительном приборе; t\, I2 - температу ра соответственно подаваемого и охлажденного теплоносителя до этапа II; /'i, /2 - то же между этапами II и III; /,, /0 - то же в системе отопления здания

Несовершенство любого из этих видов регулирования может приводить к дополнительным тепловым и электрическим потерям энергии. Именно эти потери будут завесить и от конструкции здания, системы отопления, а также от оборудования, которое в ней применяется.

4.3 Набор оборудования тепловых пунктов и системы отопления многообразен при различном подключении системы к тепловым сетям (зависимое, независимое), а также зависит от схемы теплоснабжения.

и

Однако последнее время стала актуальной практика присоединения систем отопления зданий по независимой схеме, когда создается отдельный отопительный контур внутри самого здания, а теплоноситель из теплосети не попадает в систему отопления (только при ее заполнении и подпитке). Данный вид присоединения значительно дороже, т. к. необходимо приобретать дополнительное оборудование, например, теплообменник, циркуляционный насос, расширительный бак, а также оборудование подпитки и автоматизации системы. Для регулирования количества отданной теплоты потребителям, связанным с изменением температу ры наружного воздуха и изменению фактического теплопотребления, на источниках теплоты (ТЭЦ, РК и т.п.) применяется качественное регулирование, которое позволяет обеспечить условно постоянный гидравлический режим в тепловых сетях. Однако такое централизованное регулирование не может полностью обеспечить требуемый тепловой комфорт в каждом отапливаемом здании и, тем более, в каждом отапливаемом помещении. Это связано в первую очередь с неоднородностью систем теплопотреблен ия. В связи с этим, на практике применяются ЦТП и ИТП, в которых осуществляют местное качественно-количественное регулирование для целого района или отдельного здания. Современные ЦТП и ИТП позволяют исключить «перетопы» зданий, связанные с поддержанием температуры подаваемого теплоносителя из тепловой сети не ниже 70 °С для нагревания воды на нужды ГВС за счет количественного регулирования, т.е. понижения расхода теплоносителя из тепловой сети гга нужды отопления. Однако и это не позволяет полностью обеспечить требуемый тепловой комфорт в каждом отапливаемом помещении.

В современных системах отопления начали использовать автоматические регуляторы, которые под воздействием одного из факторов (например, температуры воздуха в помещении) влияют на расход теплоносителя в системе и на ее участках, тем самым создавая узловое и индивидуальное количественное регулирование.

4.4 Конечная цель узлового и индивидуального регулирования — изменение теплоотдачи отопительного прибора. Целью применения автоматического регулирования, как на ЦТП и ИТП, так и у потребителя, является поддержание расчетных комфортных условий в отапливаемых помещениях с наименьшими

затратами тепловой энергии. Таким образом, потребитель наделяется возможностью обеспечить оптимальную температуру помещения, при которой будет расходоваться ровно столько тепловой энергии, сколько необходимо в данный момент. Это позволит не только обеспечить расчетный комфорт, но и сэкономить дорогостоящую тепловую энергию.

К сожалению, качественное и индивидуальное количественное регулирование не лишено своих недостатков. Отопительные приборы при изменении температуры или расхода теплоносителя неравномерно изменяют свою теплоотдачу. Причем, степень неравномерности зависит не только от конструкции прибора и от параметров теплоносителя, но и от конструктивных особенностей здания.

4.5 На подводках у отопительных приборов в настоящее время применяются не только краны двойной регулировки, краны трехходовые и проходные (рисунок 4.2), но и термостатические клапаны различной конструкции (рисунок 4.3).

Рисунок 4.2 - Термостатические клапаны для систем отопления: а - кран двойной регулировки типа КРДП; 0 - кран регулирующий треходовой типа КРТ; в - кран регулирующий проходной типа КРП

Термостатические клапаны (ТСК) можно классифицировать:

1.    По количеству направления ходов теплоносителя:

—    двухходовые;

—    трехходовые.

2.    По типу предварительной настройки:

—    без предварительной настройки;

—    с плавной скрытой преднастройкой;

—    с плавной открытой преднастройкой;

—    со ступенчатой скрытой преднастройкой;

—    со ступенчатой открытой преднастройкой.

3.    По изменению направления потока теплоносителя:

—    проходной;

—    трехосевой (угловой);

—    специальной конструкции.

4.    По месту установки:

на подающем подводящем теплопроводе (на подающей подводке);

—    в конструкции отопительного прибора;

—    в составе подключающей гарниту ры отопительного прибора.

5.    По расходной характеристике регулирования:

—    линейная;

—    логарифмическая;

—    параболическая;

—    логарифмическо-линейная.

4.6 Конструкция термостатических клапанов позволяет изменять проходное сечение за счет изменения положения штока, либо ручным воздействием, либо с помощью термостатической головки или иного механизма. В расчете это учитывается изменением величины проводимости клапана o_tI, кг/(ч-Па⁰'⁵), или, как ее принято называть и обозначать в каталогах справочниках фирм-производителей, пропускной способности (м³/ч)/бар°\ Именно эта характеристика используется при проектировании системы отопления, т. к. она позволяет определить диапазон количественного регулирования теплоотдачи отопительного прибора и степень воздействия на гидравлический режим работы системы отопления в целом.

Пропускную способность любого элемента системы отопления к_уУ (м³/ч)/бар, обычно определяют по формуле:

(4.1)

где G - объемный расход теплоносителя через элемент системы отопления, м³/ч; р - плотность теплоносителя, кг/м³;

ДД - разница давления на элементе, бар.

Пропускную способность полностью открытого клапана принято обозначать

k_vst (м³/ч)/бар⁰'⁵.

Пропускная способность клапана является расчетной величиной и в практике монтажных, наладочных и эксплуатационных работ не используется. 11ри настройке пропускной способности клапана используют величину настройки, которая гравируется на самом клапане. Величина настройки должны выбираться еще на стадии проектирования и соответствовать расчетной пропускной способности клапана. Данная величина выбирается по справочным данным фирм-производителей.

В конструкции некоторых ТСК предусмотрена так называемая преднастройка. Преднастройка осуществляется встроенным в конструкцию ТСК дросселем, положение которого устанавливается в процессе наладки, но рассчитывается уже на стадии проектирования. Задача преднастройки — ограничить возможность регулирования термостатического клапана и «увязать» гидравлические кольца системы отопления в расчетном режиме, т. е., исключить возможность существенного повышения расхода теплоносителя через прибор потребителя, которое может привести к разбалансировке системы и исключить установку дополнительных дросселей. Доступ к регулированию этого дросселя потребителю, как правило, закрыт и обеспечивается за счет специальных ключей.

4.7 В регуляторах могут возникать явления кавитации и шумообразования при движении теплоносителя. Если потеря давления на клапане при фактическом расходе превысит некоторую границу, то шум на клапане приведет к нарушению комфорта в помещении, а возможная кавитация - к разрушению или повреждению

структуры системы.

4.8    Зависимость теплового потока с поверхности отопительного прибора от расхода теплоносителя через него не линейная и зависит от типа прибора. Поэтому используются различные конструкции штока ТСК, которые обеспечивают: линейную, пропорциональную (логарифмическую), параболическую или линейнопропорциональную (логарифмическо-линейную) характеристику регулирования. Характеристика выражает зависимость между отношением фактического и максимально возможного расхода через клапан G и (7₁₀₀ соответственно и относительного уровня подъема затвора клапана h/h_m, % (рисунок 4.5).

100 90 КО 70 60 50 40 30 20 10 0

На рисунке 4.5 представлена идеальная расходная характеристика регулирующих клапанов, которую можно достичь только тогда, когда все располагаемое давление регулируемого участка теряется в регулирующем отверстии клапана. В реальных условиях это случается крайне редко, и для каждого клапана системы отопления характеристика будет индивидуальной.

4.9    На практике выбор регулирующих элементов ведется по некоторой искусственной характеристике - внешнему авторитету регулирующего клапана а.

Внешний авторитет клапана а это отношение потери давления на

Рисунок 4.6 - Термостатическая головка клапана: а- с жидкостным датчиком; б - с дистанционным управлением; в - с выносным датчиком; г - с накладным датчиком

Главная задача ТСГ - оценить температуру помещения вблизи датчика ТСГ для того, чтобы увеличить или уменьшить расход теплоносителя через отопительный прибор. Это реализуется за счет установленного в конструкции ТСГ термочувствительного сильфона, в который заключено рабочее тело (жидкость или газ, а в отдельных случаях парафин), который, в свою очередь, при изменении своей температуры изменяется объем, изменяя размер гофрированного корпуса сильфона (рисунок 4.7), и тем самым воздействует на шток ТСК.

Рисунок 4.7 - Конструкция термостатического клапана с термостатической

головкой:

1 - сильфон; 2 - настроечная пружина; 3 - шток клапана;

4 - золотник клапана 4.11 Поскольку теплопотреблен не здания в целом и отдельных помещений непостоянно, а потребителю предоставляется возможность индивидуального регулирования потока теплоносителя, система фактически никогда не работает в

своем расчетном режиме. Это означает, что система будет обладать переменным гидравлическим режимом работы. Часто при применении автоматических термостатических головок у отопительных приборов регулирование теплоотдачи превращается в двухпозиционное (открыто/закрыто). Это связанно с тепловой инерционностью отопительных приборов (прежде всего, у секционных радиаторов большой емкости), а также с тепловой инерционностью отапливаемого помещения и здания в целом.

4.12 На стояках и ответвлениях систем отопления фирмы-производители рекомендуют также устанавливать автоматические регуляторы перепада давления, расхода и температу ры для повышения точности регулирования.

Автоматические регуляторы перепада давления (АРПД) предназначены для поддержания постоянного и ере пата давления на ответвлении или стояке (рисунок 4.8). Они состоят из регулирующего клапана и дублера, которым может быть балансировочный вентиль (БВ) или арматура с постоянной пропускной способностью. Дублер и клапан соединяются импульсной трубкой (рисунок 4.9).

По данным фирм-производителей АРПД помогают соблюсти минимальное изменение расхода в отопительных приборах стояка или ответвления, если на них не производилось индивидуальное регулирование, т.е. исключить влияние изменения пропускной способности клапанов, установленных вне ответвления или стояка.

Рисунок 4.8 - Автоматические регу ляторы перепада давления: а - муфтовый с прямым шпинделем; 6 - муфтовый с наклонным шпинделем; в - фланцевый с прямым шпинделем

Введение

Методическое пособие разрабатывается в развитие требований СП 60.13330.2016 «СНиП 41-01-2003 Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха» для реализации проектировщиками требований, заложенных в строительных нормах и правилах, и выполнения более грамотного и рационального проектирования систем отопления и теплоснажения вентиляционных установок.

Пособие предназначено для специалистов и руководителей проектноизыскательских и строительных организаций, учреждений и служб заказчика (инвестора) и других заинтересованных организаций, с целью обеспечения их организационно-техническими материалами, которые позволяют разрабатывать и оценивать высокоэффективные проектные решения зданий, обеспечивающие качество и конкурентоспособность этих объектов.

Применение настоящего пособия даст проектировщику механизм определения собственной энергетической эффективности систем вентиляции и позволит разделить оценку энергетической эффективности инженерных систем вентиляции и оценку энергосберегающего эффекта в результате применения передовых технологий для более грамотного и рационального проектирования зданий и сооружений, а также позволит повысить качество выполняемых проектных работ за счет использования единых практических подходов к выполнению работ на основе унифицированных решений, типовых единых практических подходов к выполнению работ, а также станет основой для проведения независимых экспертных оценок выполненных работ, в том числе по технико-экономическому обоснованию, что обеспечит снижение рисков возникновения аварийных ситуаций и повышение безопасной эксплуатации строительных объектов.

Актуальность разработки настоящего пособия обусловлена необходимостью создания целостной системы расчетов по определению энергетической эффективности отдельных инженерных систем здания, наряду с имеющейся методикой расчета энергопотребления для создания механизма оценки эффективных технических решений по системам инженерно-технического обеспечения. ¹

Рисунок 4.9 - Схема установки автоматического регулятора перепада давления: а - на стояке (или ответвлении) с БВ (или дублером) при использовании ТСК с преднастройкой; 0 - на стояке (ответвлении) с БВ (или дублером) при использовании ТСК без преднастройки;

/ - БВ или дублер; 2 - АРПД; 3 - краны для опорожнения стояка; 4 - краны для отключения стояка; 5 - гарнитура для подключения импульсной трубки к трубе

Первый вариант установки АРПД (рисунок 4.9) предполагает установку у отопительных приборов ТСК с возможностью преднастройки. Наладка стояка и переменный гидравлический режим работы при этом по большей части возлагается на ТСК, а АРПД поддерживает оптимальный перепад давления для работы ТСК. Второй вариант установки предполагает установку у отопительных приборов ТСК без преднастройки, а это означает, что монтажная наладка стояка будет проводиться с помощью БВ, а переменный гидравлический режим будет обеспечиваться ТСК. АРПД в данном случае поддерживает постоянный перепад давления в стояке и БВ.

Гидравлический режим работы АРПД в совокупности с ТСК представляет особый интерес. При регулировании теплоотдачи отопительного прибора с помощью ТСК, т.е. путем изменения фактического расхода теплоносителя через прибор, изменяется и характеристика сопротивления всего стояка (ответвления), что приводит к изменению общего перепада давления на нем. При этом АРПД должен поддерживать этот перепад давления постоянным, а это значит, что и его характеристика сопротивления (или пропускная способность Лг_лтл, (м¹/ч)/бар⁰'⁵ или

Документ разработан следующим авторским коллективом: д. т. н., проф. В.Г. Гагарин, к. т. н. Д.Ю. Желдаков, к. т. н. В.В. Козлов, к. т. н. А.Ю. Неклюдов, к. т. н. П.П. Пастушков (ФГБУ «Научно-исследовательский институт строительной физики Российской академии архитектуры и строительных наук»); к. т. н. С.М. Усиков (ФГБОУ ВО НИУ МГСУ), к. т. н. Ю Г. Московко (ООО «ЗВО «ИННОВЕНТ»).

Настоящее методическое пособие разработано в развитие СП 60.13330 «СНиП 41-01-2003. Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха» в целях оценки энергетической эффективности систем отопления и теплоснабжения вентиляционных установок.

Методика, представленная в настоящем пособии, устанавливает способы расчета энергетической эффективности центральных систем водяного отопления жилых, общественных и административных зданий, которая также может быть применена и к иным видам систем отопления.

Настоящее методическое пособие также применимо для описания энергетической эффективности систем водяного теплоснабжение вентиляционных установок.

Методика не распространяется на системы отопления защитных сооружений гражданской обороны; сооружений предназначенных для работ с радиоактивными веществами, источниками ионизирующих излучений; объектов подземных горных работ и помещений, в которых производятся, хранятся или применяются взрывчатые вещества.

В настоящем методическом пособии использованы нормативные ссылки на следующие документы:

СП    60.13330.2016    «СНиП    41-01-2003    Отопление, вентиляция    и

кондиционирование воздуха»;

СП 73.13330.2016 «СНиП 3.05.01-85 «Внутренние санитарно-технические системы зданий»;

СП 50.13330.2012 «СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий»;

СП 54.13330.2016 «СНиП 31-01-2003 «Здания жилые многоквартирные»;

СП    118.13330.2012    «СНиП    31-06-2009    «Общественные здания    и

сооружения»;

СП 131.13330.2012 «СНиП 23-01-99* «Строительная климатология»;

ГОСТ 30494-2011 «Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях»;

ГОСТ 30815-2002 «Терморегуляторы автоматические отопительных приборов систем водяного отопления зданий»;

ГОСТ 10944-97 «Краны регулирующие и запорные ручные для систем водяного отопления зданий. Общие технические условия».

3 Термины и определения

В настоящем методическом пособии применены термины с соответствующими определениями по СП 50.13330, СП 60.13330 и СП 73.13330. Наиболее важные термины и определения:

тепловые потерн здания: количество тепловой энергии, необходимое для компенсации теплопередачи через ограждающие конструкции здания в наружную окружающую среду и для нагрева наружного воздуха, поступающего в помещения здания, в единицу времени (3.21 по СП 50.13330);

тепловые потребности здания: количество тепловой энергии, необходимое для компенсации теплопередачи через ограждающие конструкции здания в наружную окружающую среду и для нафева наружного воздуха, поступающего в помещения здания, в единицу времени (3.21 по СП 50.13330);

вентиляция: обмен воздуха в помещениях для удаления избытков теплоты, влаги, вредных и других веществ с целью обеспечения допустимого микроклимата и качества воздуха в обслуживаемой или рабочей зоне при средней необеспеченности 400 ч/год - при круглосуточной работе и 300 ч/год - при односменной работе в дневное время (3.2 по СП 60.13330);

гидравлическая и тепловая устойчивосгь систем отопления, теплоснабжения:    способность    системы поддерживать заданное расчетное

относительное распределение расхода теплоносителя при изменении расхода и теплоотдачи по всем отдельными участкам, отопительным приборам и другим элементам системы (3.10 по СП 60.13330);

избытки явной теплоты: разность тепловых потоков, поступающих в помещение и уходящих из него при расчетных параметрах наружного воздуха (после осуществления технологических и строительных мероприятий по уменьшению теплопоступлений от оборудования, трубопроводов и солнечной радиации) и ассимилируемых воздухом систем вентиляции и кондиционирования (3.16 по СП 60.13330);

ко иди ци о II про ван ие воздуха: автоматическое поддержание в закрытых помещениях всех или отдельных параметров воздуха (температуры, относительной влажности, чистоты, скорости движения и качества) с целью обеспечения, как правило, оптимальных метеорологических условий, наиболее благоприятных для самочувствия людей, ведения технологического процесса, обеспечения сохранности ценностей (3.20 по СП 60.13330);

отопление: искусственное на!ревание помещения в холодный период года для компенсации тепловых потерь и поддержания нормируемой температуры со средней необеспеченностью 50 ч/год (3.23 по СП 60.13330);

системы внутреннего теплоснабжения здания: системы, обеспечивающие трансформацию, распределение и подачу теплоты (теплоносителя) теплопотребляющим установкам (оборудованию) систем отопления, вентиляции кондиционирования и горячего водоснабжения здания (3.33 по СП 60.13330);

запорно-регулирующая арматура:    устройство,    предназначенное для

полного перекрытия и (или) регулирования потока рабочей среды в трубопроводе и пуска среды в зависимости от требований технологического процесса, обеспечивающее необходимую герметичность (3.6 по СП 73.13330);

регулировка: работы, выполняемые в целях достижения соответствия работоспособности оборудования внутренних санитарно-технических систем техническим параметрам, указанным в исполнительной документации (3.23 по СП 73.13330);

условный проход трубы: средний внутренний диаметр труб (в свету), который соответствует одному или нескольким наружным диаметрам труб (3.23 по СП 73.13330);

энергетическая эффективность: характеристики, отражающие отношение полезного эффекта от использования энергетических ресурсов к затратам энергетических ресурсов, произведенным в целях получения такого эффекта, применительно к продукции, технологическому процессу, юридическому лицу, индивидуальному предпринимателю (п. 4 ст. 2 по ФЗ-261 11 ]);

к

запорный кран:    вид    трубопроводной    арматуры,    обеспечивающей

возможность прекращения потока теплоносителя через кран, а также полное возобновление потока теплоносителя через кран без функций регулирования (по ГОСТ 10944-97);

регулирующий кран: вид трубопроводной арматуры, обеспечивающей возможность заданного изменения количества теплоносителя, протекающего через кран (по ГОСТ 10944-97);

монтажное регулирование: положение соответствующего регулирующего органа крана, устанавливаемое при наладке системы отопления (по ГОСТ 10944-97);

потребительское регулирование:    положение    соответствующего

регулирующего органа, устанавливаемое потребителем по своему желанию в пределах между монтажной установкой и полным закрытием (открытием) крана (по ГОСТ 10944-97);

терморегулятор:    вид трубопроводной арматуры, обеспечивающей

автоматическое изменение количества протекающего через клапан терморегулятора теплоносителя в зависимости от заданной температуры воздуха (по ГОСТ 30815-2002);

регулятор температуры (термоголовка): узел (деталь) терморегулятора, включающий датчик и рукоятку установки температуры и обеспечивающий необходимое перекрытие проходного сечения клапана в автоматическом режиме (по ГОСТ 30815-2002).

система централизованного теплоснабжения (СЦТ): система, состоящая из одного или нескольких источников теплоты, тепловых сетей (независимо от диаметра, числа и протяженности наружных теплопроводов) и потребителей теплоты (п. 3.1 по СП 124.13330);

и н диви дуальный тепловой пункт (ИТП):    тепловой    пункт,

предназначенный для присоединения систем отопления, вентиляции, горячего водоснабжения и технологических теплоиспользующих установок одного здания или его части (п. 3.13 по СП 124.13330).

4 Общие положении

4.1 Основным предназначением систем отопления является поддержание требуемых комфортных условий для пребывания человека в отапливаемых помещениях здания на протяжении всего отопительного сезона, а также обеспечение экономичности системы, которая достигается путем исключения или сокращения бесполезных финансовых и энергетических затрат.

Конструкция современной системы отопления предполагает наличие различного вида оборудования, причем каждый элемент решает свою индивидуальную задачу. При некорректном выборе оборудования оно может стать «балластом» в процессе эксплуатации, тем самым уменьшая эффективность работы отопительной системы. Вопрос выбора оборудования полностью возлагается на проектировщиков, однако неправильный монтаж, наладка и эксплуатация сложных устройств также может стать причиной выхода его из строя или неэффективной работы всей системы. Поэтому важно на стадии проекта грамотно выбирать тип и место установки оборудования.

Включение систем автоматизации в конструкцию современной системы отопления и теплового пункта позволяет автоматически контролировать параметры микроклимата в помещении и теплоносителя в системе отопления и на ее участках, а также обеспечивать учет потребляемой системой тепловой энергии. Все эти мероприятия призваны повышать энергетическую эффективность системы и регулировать режим ее работы. Однако повышенные капитальные и возможные эксплуатационные затраты могут превзойти экономический эффект от сокращения теплопотребления системы отопления. Таким образом, применение того или иного оборудования должно быть экономически обосновано.

Чтобы обеспечить необходимую теплоподачу в каждое отапливаемое помещение при эксплуатации системы отопления ведется регулирование, которое может происходить количественным (изменение расхода теплоносителя), качественным (изменением температуры теплоносителя), или качественноколичественным способом.

ю

1