Вентиляція, освітлення і теплогазопостачання

Размещено на http://www.allbest.ru/

Київський національний університет будівництва і архітектури

697.13.003.13 УДК 697.34 697.328.003.12

Спеціальність 05.23.03 - Вентиляція, освітлення і теплогазопостачання

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Методи та засоби покращення експлуатаційних

параметрів вузлів центрального теплопостачання

Пургал М.П.

Київ - 2002

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Радомському інституті нагрівальної та санітарної техніки Міністерства комунального господарства Польщі і в Івано-Франківському національному технічному університеті нафти і газу Міністерства освіти і науки України.

Науковий консультант: Заслужений діяч науки і техніки України, доктор технічних наук, професор Крижанівський Євстахій Іванович, ректор Івано-Франківського національного технічного університету нафти і газу

Офіційні опоненти:

1. Доктор технічних наук, професор Строй Анатолій Федорович, завідувач кафедрою теплогазопостачання Полтавського державного технічного університету ім. Юрія Кондратюка

2. Доктор технічних наук, професор Малкін Едуард Семенович, професор кафедри теплотехніки Київського національного університету будівництва і архітектури

3. Доктор технічних наук, професор Іродов В'ячеслав Федорович, Придніпровська державна академія будівництва і архітектури (м. Дніпропетровськ), професор кафедри теплогазопостачання

Провідна установа:

Харківська державна академія міського господарства Міністерства освіти і науки України

Захист відбудеться "09" жовтня 2002 р. о 11 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.056.07. при Київському національному університеті будівництва і архітектури за адресою: 00037, м. Київ-37, Повітрофлотський проспект, 31, ауд.466.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці КНУБА.

Автореферат розісланий "05" вересня 2002 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради канд.техн.наук, професор О.А. ВасиленкоАнотації

Пургал М.П. Методи та засоби покращення експлуатаційних параметрів вузлів центрального теплопостачання. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.23.03 - Вентиляція, освітлення і теплогазопостачання. - Київський національний університет будівництва і архітектури, Київ, 2002.

Робота присвячена енергозберігаючим технологіям та розробці методів і засобів покращення експлуатаційних параметрів вузлів центрального теплопостачання.

Об'єкти дослідження: навколишнє середовище, нагрівники, запірні пристрої з термостатичними головками, повітря термокамери та приміщення. Запропоновані методики розрахунку процесів теплообміну: внутрішніх та зовнішніх стін приміщення, теплопровідності через стіну за умови збереження балансу теплової енергії повітрям приміщення. Запропонована методика оперативного діагностування засобами термографії зовнішніх огороджень будівель та нагрівників різних типів з метою оцінювання теплових втрат. Отримані результати використовують для розробки системи заходів, спрямованих на зменшення тепловтрат із залученням економічно вигідних енергозберігаючих технологій. Розроблені високоефективні конструкції запірних пристроїв з термостатичними головками, які захищені патентами Польщі. На основі банку даних з експериментальних досліджень систем теплопостачання здійснено керування експлуатаційними параметрами їх вузлів для забезпечення теплового комфорту в термокамері. Підтверджена висока точність запропонованих методів шляхом порівняння з відомими теоретичними результатами. Обгрунтовані практичні рекомендації щодо розрахунків, конструювання та покращення експлуатаційних параметрів вузлів центрального теплопостачання.

Ключові слова: процеси теплообміну та теплопровідності, режими керування, тепловий комфорт приміщення, експлуатаційні параметри, термографічна діагностика, закономірності розподілення поверхневих температур, термостабілізація, енергозберігаючі технології.

Пургал М.П. Методы и средства улучшения эксплуатационных параметров узлов центрального теплоснабжения. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.23.03 - Вентиляция, освещение и теплогазоснабжение. - Киевский национальний университет строительства и архитектуры, Киев, 2002.

Работа посвящена энергосберегающим технологиям и разработке методов и средств улучшения эксплуатационных параметров узлов центрального теплоснабжения.

Целью работы является разработка и теоретическое обоснование методов и средств повышения эффективности эксплуатационных параметров узлов систем централизованного теплоснабжения на основе прогнозирования и своевременной диагностики технического состояния их элементов.

Диссертация состоит из введения, шести разделов, выводов, списка использованных литературных источников и приложений.

Первый раздел посвящен обзору современного состояния проблемы систем теплоснабжения и их узлов. Сформулированы задачи исследований.

Во втором разделе обоснована обобщенная математическая модель управления режимами работы систем теплоснабжения с использованием методик оценки следующих процессов: теплообмена внутренних и внешних поверхностей стен помещений на основе теплового баланса их взаимодействия с воздухом помещения и окружающей среды (коэффициентов теплоотдачи); при инфильтрации воздуха в помещение через неплотности окон и вентиляционные каналы на основе метода приближений (количества воздуха, попадающего в помещение, и баланса его тепловой энергии); в системе теплообменник-помещение в зависимости от толщины его стенки при обычной и упрощенной моделях теплопроводности на основе метода характеристик и конечных разностей, а также уравнения теплового баланса системы "вода-стенки теплообменника-воздух помещения" (поверхностных температур теплообменника и температуры воды на выходе из него); процессов теплопроводности через стену помещения при нестационарных термодинамических условиях на основе метода конечных разностей (поверхностных температур в элементарных слоях стены). Приведены аналитические зависимости и алгоритмы для расчета интенсивности теплообмена в отапливаемом помещении.

В третьем разделе рассмотрены энергосберегающие технологии и средства улучшения эксплуатационных параметров систем теплоснабжения и теплопотребления. В аспекте энергосберегающих технологий предложена термографическая диагностика объектов разного назначения, разработаны пути усовершенствования систем централизованного отопления и управление режимами их работы, рассмотрены современные высокоэффективные теплоизоляционные материалы. Разработаны новые конструкции запорных устройств с термостатическими головками, а также способы повышения надежности элементов и узлов систем теплоснабжения.

В четвертом разделе уделено внимание экспериментальным исследованиям теплового комфорта в термокамере и в помещении. В результате исследований установлено влияние метеоусловий окружающей среды на тепловое состояние отапливаемых помещений. Получены данные гидравлических испытаний водопроводных кранов с термостатическими головками и теплообменников с различными конструктивными особенностями. Методами термографии зафиксировано распределение температурных полей вдоль поверхностей теплообменников и на фасадах исследуемых зданий. Получен банк данных, которые подтверждают теоретические концепции, гипотезы и идеи работы и хорошо согласуются с результатами расчетов, выполненных по предложенным методикам. Отклонение экспериментальных и расчетных данных не превышает 6,0%.

Пятый раздел посвящен управлению эксплуатационными параметрами системы теплопотребления в лабораторных условиях на основе системного подхода с привлечением ЭВМ. С использованием компьютерных технологий смоделированы процессы теплопотребления в помещениях, расположенных в различных зонах многоэтажного дома, а также условия обеспечения стабильного температурного режима помещения с учетом постоянно изменяющихся на протяжении суток метеоусловий при работе водопроводного крана с термостатической головкой, чувствительный элемент которой настроен на температуру теплового комфорта. Произведено математическое описание теплового комфорта в помещении, на основании которого смоделированы процессы управления эксплуатационными параметрами стенового отопления в термокамере и определены коэффициенты теплопередачи в зависимости от температуры ее элементов.

В шестом разделе представлена эффективность предложенных разработок - термостатических головок водопроводных кранов, термографической диагностики теплообменников и фасадов различных зданий, а также управления эксплуатационными параметрами систем теплопотребления с помощью ЭВМ.

Ключевые слова: процессы теплообмена и теплопроводности, режимы управления, тепловой комфорт помещения, эксплуатационные параметры, термографическая диагностика, закономерности распределения поверхностных температур, термостабилизация, энергосберегающие технологии.

Purgal P. Methods and solutions of improving maintenance parameters in central heating supply units. - Manuscript.

Thesis for a Doctor of Science degree in Technique by speciality 05.23.03 - Ventilation, illumination and heatgassupply - a Kyiv National University of Constructional and Architectures, Kyiv, 2002.

The paper is devoted to energy saving technologies in heat industry and the development of methods and solutions with the objective to improve the maintenance parameters of central heatings units.

Research objectives: natural environment, heat exchangers, thermostatic valves, air in the thermal camera and the room.

Key issues: the methodology of modelling and calculations as regards heat exchange processes in the room with reference to outside temperatures and inside wall surfaces, heat exchange and the processes of heat infiltration through walls on the assumption of keeping up heating comfort of a room. An effective and quick diagnostic method has been developed using thermographic research, different types of heat exchangers and locating heat loss in buildings. The research results have been used for the development of energy saving and cost efficient solutions with the aim to decrease heat loss. Efficient constructions of thermostatic valves and devices aiding heat accounting usage protected by the Polish Republic's patents have been developed. On the basis of experimental data bank a project of steering system of maintenance parameters of heating units in order to achieve heating comfort of a room (in a experimental camera) has been implemented. A high level of compatibility of the obtained results and theoretical calculations has been confirmed. Practical value of both the theoretical and construction solutions has been documented by improving maintenance parameters of central heatings units.

Key words: processes of heat exchange and conduction, steerings parameters, the level of heat comfort in a room, maintenance parameters, thermograph diagnostic, surface temperature layout, thermostabilsation, energy saving technologies.

Загальна характеристика роботи

Актуальність проблеми. Централізоване теплопостачання (ЦТП) в Польщі займає важливе місце в галузі забезпечення тепловою енергією об'єктів житлово-комунального сектора та промисловості. Теплофікацією, крім Варшави, охоплено 35 міст держави. ЦТП забезпечує економію палива і трудових ресурсів, дозволяє знизити забруднення атмосфери шкідливими димовими викидами; зменшує теплове навантаження на довкілля, покращує умови життя населення.

Розвиток ЦТП за минулі роки планової економіки йшов по екстенсивному шляху, коли головним було нарощування об'ємів будівництва систем, а питанням енергозбереження, підвищення надійності та іншим актуальним проблемам науково-технічного прогресу не приділялось достатньої уваги. В результаті системи теплопостачання (СТП) спрацювалися, в них значно зросли непродуктивні втрати енергії, знизилась надійність їхніх вузлів та окремих елементів, що зумовлює порушення умов забезпечення теплового комфорту приміщень. При експлуатації СТП практично не застосовуються сучасні методи і засоби діагностики теплових режимів (ТР), засоби обліку та регулювання кількості спожитої теплоти, методи прогнозування обсягів і режимів теплопостачання та інші прогресивні заходи.

Таким чином, окреслена низка невирішених питань має важливе наукове та технічне значення і свідчить про актуальність теми дисертації, пов'язаної з розробкою проблеми підвищення ефективності експлуатаційних параметрів СЦТП. енергозберігаючий теплопостачання експлуатаційний

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота узагальнює результати досліджень і дослідно-конструкторських робіт, виконаних автором в межах науково-технічних програм, Постанов і наказів директивних органів Польщі:

Постанова Сейму Польщі M.N. №30/91 про всестороннє впровадження в системах опалення індивідуального розрахунку за спожиту теплову енергію;

Розпорядження Міністерства народного господарства і будівництва Польщі від 4.10.1990р. про обов'язкове застосування в теплових системах і мережах обладнання для економії і обліку спожитої теплоти, у тому числі у багатоквартирних житлових будинках термостатичних регуляторів і калориметрів;

Розпорядження Міністерства народного господарства і будівництва Польщі ДZU від 14.12.1994р. про технічні умови, яким повинні відповідати будинки та їхнє оснащення;

Постанова міністра господарства і матеріалів Польщі М.Р. №18/77 від 4.07.1997р. про умови постачання теплової енергії;

Постанова міністра промисловості Польщі М.Р. №29/88 від 16.01.1988р. про особливі умови експлуатації теплових мереж;

Постанова Президента Польського Комітету стандартизації мір та якості М.Р. №32/93 від 10.08.1990р. і від 8.06.1993р. про визначення вимірювальних пристроїв, що підлягають обов'язковій ліквідації.

Мета і задачі досліджень. Метою дисертаційної роботи є розробка і теоретичне обгрунтування методів підвищення ефективності експлуатаційних параметрів (ЕП) вузлів ЦТП на основі прогнозування та своєчасного діагностування технічного стану їх елементів.

Для виконання поставленої мети необхідно було вирішити наступні задачі:

провести аналіз сучасного стану проблеми і визначити фактори, які впливають на ефективність роботи систем ЦТП;

розробити вдосконалену математичну модель теплового режиму приміщень, яка б дозволяла з високою точністю здійснювати керування його параметрами в процесі експлуатації;

виконати експериментальні вимірювання параметрів теплового режиму приміщення і порівняти їхні результати з результатами розрахунків на математичній моделі;

розробити вдосконалену методику визначення комфортних умов теплового середовища приміщень при їхньому опаленні;

вивчити закономірності зміни метереологічних параметрів центральної частини Польщі та визначити їхній вплив на прогнозовані потреби в тепловій енергії для опалення будівель;

створити на базі розроблених математичних моделей ефективні методи та засоби керування тепловим режимом приміщень при їхньому централізованому теплопостачанні;

розробити методику термографічного діагностування теплових режимів елементів систем централізованого теплопостачання;

провести натурні термографічні дослідження теплового стану елементів систем теплопостачання;

провести експериментальні дослідження параметрів гідродинамічних режимів термостатичних кранів та визначити напрямки їх удосконалення;

розробити методи та засоби підвищення ефективності експлуатаційних параметрів систем централізованого теплопостачання;

провести апробацію та впровадити результати досліджень у виробництво.

Об'єкт дослідження. Об'єктом дослідження є СЦТП та її елементи.

Методи дослідження. В роботі застосовувалися аналітично-теоретичний та експериментальний методи досліджень з використанням термографічної техніки та комп'ютерних технологій обробки результатів.

Предмет дослідження - підвищення ефективності ЕП елементів СТП.

Наукова новина результатів дослідження:

розроблена з метою керування тепловим режимом приміщення, вдосконалена математична модель процесів теплообміну у приміщенні, яка базується на системному аналізі приміщення як елемента теплопостачання з урахуванням повітряного режиму, тепловіддачі конвективними і променевими потоками, теплопередачі через огородження при нестаціонарності теплових процесів у приміщенні;

запропонована методика декомпозиції систем теплопостачання на типові розрахункові елементи і на цій основі розроблена математична модель динаміки теплообміну окремих елементів з метою керування тепловими режимами нових (які проектуються) систем теплопостачання;

розроблена оригінальна методика і створена експериметальна, з комп'ютерним управлінням дослідна камера для вимірювання параметрів температурного режиму приміщення в стадії його опалення при нестаціонарному режимі зміни зовнішніх параметрів повітря;

запропонована удосконалена методика визначення рівня комфортних теплових умов у приміщенні в т.ч. і при нестаціонарних режимах;

розроблена оригінальна методика та експериментальні установки для безконтактних термографічних вимірювань параметрів теплових режимів елементів систем теплопостачання, в т.ч. зовнішніх огороджень будівель;

встановлені закономірності руху рідини через термостатичні крани і обгрунтовані напрямки їхнього удосконалення;

теоретично обгрунтовані методи та засоби керування тепловими режимами діючих систем теплопостачання, в т.ч. засоби діагностики їхніх експлуатаційних параметрів.

Практичне значення результатів дослідження:

розроблені і впроваджені у виробництво з економічним ефектом нові, захищені патентами Польщі, конструкції термостатичних кранів, використання яких обумовлює економію до 20% теплової енергії при опаленні будівель;

впроваджена на стадіях проектування та будівництва методика прогнозування режимів теплоспоживання житлових будинків, яка дозволяє зменшити до 15% витрати палива в СТП;

впроваджена у виробництво методика термографічного діагностування елементів СТП та огороджуючих конструкцій будинків, яка дозволяє підвищити точність та скоротити строки одержання результатів дослідження;

розроблена і впроваджена у виробництво методика обчислення із застосуванням ЕОМ тепловтрат будинків при їх опаленні, яка дозволяє визначати тепловтрати з більш високою точністю;

розроблені і впроваджені у виробництво рекомендації по підвищенню експлуатаційної ефективності діючих СЦТП, основні положення яких використані у відповідних постановах та рішеннях уряду Польщі.

Особистий внесок здобувача. Особисто автором розроблені: основні наукові положення; математичні моделі керування роботою систем та їхніх елементів; методики та устаткування для експериментальних досліджень; методи та засоби керування тепловими режимами систем теплопостачання та діагностики їхніх експлуатаційних параметрів. Автор брав також безпосередньо участь у впровадженні результатів досліджень у виробництво.

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи доповідалися на:

державних науково-технічних конференціях: інституту експлуатації ланок технічних пристроїв та систем (Варшава, Польща), 1984 р.; інституту систем експлуатації МСNЕМТ (Радом, Польща), 1988 р.; NОТ "Вибір стратегії надійності" (Радом, Польща), 1991 р.; ZВК "Системний і функціональний аналіз нагрівальної техніки" (Радом, Польща), 1991 р.; ОВR, WIZiG "Маркетингова стратегія наукових досліджень" (Радом, Польща), 1993 р.; ОВR інституту нагрівальної та санітарної техніки "Напрямки та мета удосконалення нагрівальної техніки" (Радом, Польща), 1994-1998 рр., "Електричний розподілювач, змонтований в термостаті" (Казімеж Долни, Польща), 1995 р., "Раціональне використання нафтових палив та мазуту в комунальному господарстві" (Висова, Польща), 1999 р.; на міжнародному симпозіумі "Оцінка обладнання та систем обігріву, завдяки критеріям розвитку в злагоді з довкіллям" (Щецин, Польща), 1998 р.; IX міжнародній конференції "Електронні розподільники коштів обігрівання, вмонтовані в регулятори" (Вроцлав, Польща), 1998 р.; міжнародній конференції "Методи і умови розрахунку за теплову енергію в багатоквартирних житлових будинках", "Інноваційна діяльність в комунальному господарстві (Івано-Франківськ, Україна), 1999 р., а також на розширених семінарах: кафедри теплотехніки Івано-Франківського державного технічного університету нафти і газу, 2000 р. і спеціальності 05.23.03 (Вентиляція, освітлення і теплогазопостачання) кафедри теплотехніки Київського національного університету будівництва і архітектури, 2001 р.

Публікації. По темі дисертації опубліковано 34 друкованих праці, серед яких одна монографія і шість патентів Польщі.

Обсяг і структура роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, в якому наведена її загальна характеристика, шести розділів, висновків, рекомендацій, списку використаних джерел, який містить 192 найменування та додатків. Текст викладений на 320 сторінках комп'ютерного набору і містить 61 рисунок та 22 таблиці.

Основний зміст роботи

У вступі обгрунтована актуальність проблеми, сформульована мета дисертаційної роботи, викладена її наукова новина та практична цінність.

Перший розділ присвячено аналізові стану проблеми та постановці задач досліджень. Особливості розвитку технічної досконалості СЦТП розглянуто з точки зору можливості використання різних джерел теплоти та видів палива, а також теплового стану теплоносіїв. Розглянуті складові СЦТП, до якої входять котельні (або електротеплоцентралі), зовнішні та внутрішні мережі теплоспоживання та їхні вузли, а також нагрівальне обладнання в будинках з елементами транспортування та розподілення теплоносія. Проаналізована ефективність та надійність СТП і ТС в залежності від виду джерел теплоти, які використовуються в різних країнах світу. Огляд енергоекологічних проблем Польщі показав, що нарощування потужностей нових великих котелень та теплоелектроцентралей, які працюють на твердому паливі, обмежується екологічними факторами. Тому головним напрямком подальшого розвитку технічної досконалості СЦТП є покращення їхніх ЕП на основі енергозберігаючої техніки та технологій. Показано, що СЦТП є об'єктом керування зі складним та ієрархічним характером, оскільки зміна зовнішніх та збурюючих впливів переважно є непередбачуваною. Важливою особливістю роботи зазначеної системи є стохастичність її ЕП. Важливу роль в режимі роботи СТП відіграє гідравлічне регулювання їхніх ЕП. Наголошується на значимості автоматизованого керування режимами роботи СТП і ТС. Підкреслюється, що важливим напрямком підвищення надійності та покращення ЕП СО є запровадження високонадійної регулювальної та запірної арматури.

Результати теоретичних досліджень СТС, проведених різними вченими, є досить суперечливими, а в експериментальних роботах розглядаються дуже вузькі, окремі проблеми. Все це надзвичайно утруднює створення єдиної загальної основи досліджень. Проведений аналіз літературних джерел, вивчення, співставлення та класифікація відомих математичних моделей процесів теплової взаємодії в системах: довкілля-зовнішні огородження будівель, внутрішні поверхні стін-повітря приміщення і нагрівник-повітря приміщення, а також процесів передачі теплоти через зовнішнє огородження будинку свідчать про те, що для перевірки придатності створеної моделі необхідно проводити комплексні експериментальні дослідження ТР ОПБ. На основі аналізу сучасного стану методів та засобів покращення ЕП вузлів центрального теплопостачання наведені етапи удосконалення їхніх систем та сформульовані задачі досліджень.

У другому розділі проведене математичне моделювання процесів керування режимами експлуатації СЦТП. Для приміщення з системою центрального опалення (СЦО) параметрами, які підлягають прямому та побічному регулюванню, є: температура повітря, швидкість його руху та відносна вологість, а також середня температура внутрішніх поверхонь стін. В системах гарячого водопостачання контрольованим параметром є якість води, а регульованими - її температура і тиск в точках водозабору, а також запас води в баках-акумуляторах. При цьому температура води має відповідати санітарно-гігієнічним нормам (нижня межа tв повинна забезпечити ефект пастеризації, тобто загибель хвороботворних бактерій, а верхня - гарантувати уникнення опіків у споживачів). Одним з основних ЕП теплопостачання є величина гідродинамічного тиску в різних точках теплової мережі. Її оптимальне значення гарантує необхідні ТР в ОПБ за умови мінімальних витрат електроенергії на живлення циркуляційних насосів. ТР СТПіО визначається сукупною дією збурюючих і керуючих впливів. При цьому останні призначені усувати відхилення отриманих ЕП від очікуваних (прогнозованих), яке виникло внаслідок дії непередбачуваного збурення. Досліджувалися зовнішні збурюючи впливи (метеорологічні фактори довкілля) та внутрішні (побутово-технологічні), які мають місце в приміщеннях будівель. В якості зовнішніх теплових впливів брали до уваги зміни температури повітря, швидкості та напрямку вітру, інтенсивності сонячної радіації та вологості повітря. Головним фактором впливу на режими роботи СО є зміна температури зовнішнього повітря tн, яка створює температурний напір (tв-tн) і реалізує перенесення теплоти через огородження будівлі. При цьому коливання температури зовнішнього повітря можна вважати як періодичними (протягом року, доби), так і неперіодичними (випадковими).

За керуючі впливи в СТПіО прийнято зміни температури і витрат теплоносія, площі поверхні нагрівання та умов теплообміну. Контроль відхилення температури мережної води, яка повертається від теплоспоживачів, від нормативних значень температурного графіка заміняє зворотній зв'язок зі споживачем при керуванні ТР будівлі. Зміну витрат теплоносія здійснюють або за рахунок перепаду тиску в тепловій мережі та гідравлічного опору її нагрівників, або шляхом періодичного припинення подачі теплоносія, а також байпасуванням нагрівників і регулюванням елеваторами або насосами. При кількісному регулюванні визначається еквівалент витрат води для підтримування заданого температурного режиму в приміщенні.

Відомо, що математичний опис ТР СТПіО може бути здійснено аналітичним, ймовірно-статистичним та структурно-ймовірним методами. Найбільш доцільно використовувати аналітичний метод, який базується на чіткому усвідомленні фізичної суті процесів. Урахування стохастичних факторів, які впливають на режими роботи системи, найбільш доцільно проводити експериментальним шляхом із залученням методів статистичної обробки результатів досліджень.

До теплової моделі приміщення прийнято наступні початкові умови: теплове випромінювання та поглинання, а також віддача теплоти проходять згідно із законами Ламберта і Кірхгофа; випромінювальна здатність поверхні дорівнює поглинальній через те, що її вважаємо сірою; повітря приміщення не бере участі в процесі теплообміну шляхом випромінювання; внутрішні поверхні стін приміщення та зовнішні поверхні нагрівників є поділеними на елементарні ділянки у формі прямокутників, які є однорідними, тобто значення поверхневих температур та випромінювальна здатність в кожній точці елементарної ділянки та в елементарному об`ємі є однаковими.

Теплообмін

від внутрішньої сторони приміщення (метод теплового балансу)

;(1)

;(2)

;(3)

;(4)

;(5)

;(6)

;(7)

від зовнішньої стіни приміщення (метод теплового балансу)

;(8)

;(9)

при інфільтрації повітря у приміщення (метод енергетичного балансу)

;(10)

;(11)

в системі нагрівник-приміщення (метод теплового балансу)

;(12)

;(13)

(14)

; (15)

;(16)

;(17)

Визначення температури:

за методом характеристики та скінчених різниць;

;(18) ;(19)

методом скінчених різниць при спрощеній моделі теплопровідності;

;(20)

;(21)

;(22)

;(23)

;(24)

;(25)

теплопровідної стіни приміщення (метод скінчених різниць)

;(26)

;(27)

;(28)

Закон Стефана-Больцмана описується залежністю (2). В свою чергу, qoi визначається за допомогою виразу (3). Визначивши величину Qpi за законом Ламберта та використавши умову взаємності перестановки коефіцієнтів конфігурації, після ряду підстановок та перетворень отримали залежність (4) для визначення qe. При цьому випадкова густина потоку теплових втрат в результаті випромінювання для однієї з поверхонь стін являє собою різницю між емісійним та адсорбованим випромінюванням (залежність 4). Записавши вираз для визначення qe (5) та знайшовши зазначену величину, після відповідних перетворень і підстановок з введенням квадратичної матриці випромінювання Р=(Рij) отримали в кінцевому вигляді формулу (6) для визначення вектора густини потоку власного випромінювання.

При взаємодії поверхні стіни з гарячими та холодними шарами повітря виникає явище вільної конвекції, тому був визначений потік теплової енергії при конвективному теплообміні (7) в матричному вигляді.

Тепловий баланс зовнішньої поверхні стіни будівлі для довільного і-го моменту часу описується залежністю (8). Величину qр визначаємо за законом Стефана-Больцмана (див. залежність 2). Записавши критеріальне рівняння, до складу якого входить критерій Нуссельта, та здійснивши ряд його перетворень, після апроксимації та перестановок з урахуванням температури і швидкості повітря, а також характеристичних параметрів стіни отримали вираз (9) для визначення коефіцієнта тепловіддачі конвекцією. Інтенсивність процесу тепловіддачі від стіни залежить від швидкості повітря. Розрахункова швидкість останнього залежить від величини кута між напрямком вітру та нормаллю до поверхні стіни. Наведені емпіричні вирази для визначення швидкості повітря, а також доведено, що при його швидкості V<3 м/с, має місце явище вільної конвекції.

При оцінюванні інтенсивності теплообміну при інфільтрації повітря у приміщення записано баланс його кількості, яка попадає з довкілля в об`єм приміщення (залежність 10). Підставивши замість Voi та Vki їхні складові з урахуванням втрати тиску повітряного потоку при його русі у вентиляційному каналі та через нещільності вікон, а також виконавши відповідні перетворення і ввівши певні позначення, отримали залежність (11).

Процеси теплообміну в системі нагрівник-приміщення є дуже складними і суттєво відрізняються один від одного в залежності від ЕП нагрівника та багатьох інших факторів. Математично описати такі процеси неможливо, оскільки їхнє розмаїття не піддається узагальненню. Такі задачі розв`язуються тільки для конкретного типу нагрівника, що працює в заданому режимі. В цьому випадку для нагрівника охарактеризовано довільний елементарний шар. Рівняння теплового балансу описується залежністю (12). При цьому записана умова повинна виконуватися в будь-який момент часу t, а представлений в рівнянні чинник є функцією змінної х та часу t. Записуємо прирости функцій через диференціали, які являють собою прості наближення, виражаємо DQw через параметри, які його визначають, враховуємо, що

Qx=Qv+Qlw+Qlx,

виражаємо їх через відповідні параметри і визначаємо кількість теплоти, яка акумулюється в елементарному шарі стінки нагрівника. Потім, визначивши похідні і встановивши значення сталих та поділивши обидві частини рівняння на Dx і Dt, отримали диференціальне рівняння теплового балансу для водяних нагрівників (залежність 13). Для розв`язання останнього рівняння визначалися значення функцій

V=V(t), qw=qw(x,t)

при заданих початкових та граничних умовах.

В потужних нагрівниках коефіцієнтом теплопередачі можна знехтувати, і тому складову, перед якою стоїть коефіцієнт а 3, не враховуємо. Отже, опір теплопровідності стінки лобового нагрівника і опір розповсюдженню теплоти також не враховуємо, в результаті чого густина теплового потоку (Dqw) визначається залежністю 14. Коефіцієнт тепловіддачі конвекцією визначається за допомогою залежності (7), а густина потоку теплового випромінювання з поверхні нагрівника - залежністю (15) з іншими відомими коефіцієнтами. Наведені емпіричні залежності для визначення коефіцієнтів теплопередачі (k) для плоских (залежність 16) та ребристих (залежність 17) нагрівників.

Розглянуто аналітичний розв`язок рівняння теплового балансу для нагрівника. Записавши вираз (18) густини теплового потоку при теплообміні між нагрівником та повітрям приміщення, підставляємо в нього Dqw (без складника з коефіцієнтом а 3). Зв`язавши залежністю кількість і швидкість протікання гарячої води через нагрівник, а також ввівши сталі з граничними умовами, після інтегрування отриманих рівнянь та відповідних перетворень отримали рівняння (19), яке встановлює зв`язок між температурою води у довільному перерізі нагрівника та його (перерізу) місцезнаходженням. З рівняння (19) випливає, що температура на поверхні нагрівника для моменту часу t обчислюється в залежності від температури води заживлювання для моменту часу t-Аt`, де t` являє собою час запізнення.

В подальшому розглянуто спрощену модель теплопровідності в нагрівникові, на відміну від попередньої. При цьому прийнято, що швидкість води в нагрівнику змінюється довільно, але її нижня границя є обмеженою відповідним значенням. Записавши рівняння балансу енергії нагрівника (20) останній був поділений на n елементарних шарів однакової висоти Dх та врахувавши температури в певному перерізі нагрівника за умови, що Ті>Tо, обчислюємо температури води в кожному наступному перерізі нагрівника. Розрахунки проводимо до тих пір, поки не знайдемо такий переріз, в якому шукана температура не виявиться меншою за температуру підведеної до нагрівника води. Такий переріз є границею області, в якій відбувається турбулізація водяного потоку. Для цього значення похідних функцій Т замінюють різницею многочленів, а часткових похідних - їхніми наближеннями, звідки і визначають температуру в і-му перерізі (залежність 21). Початкові значення температури визначаємо за умови стабільності у часі процесу обміну теплоти. При умові, що Dt = Ґ, отримуємо залежність (22).

Миттєва потужність нагрівника визначається на підставі обчислених значень температури і є сумарною кількістю теплоти, яка передається в об`єм приміщення його кожним елементарним шаром (залежність 23).

Слід зауважити, що зміна значень функції Dqw в кожному новому отриманому рівнянні не ускладнює їхнього розв`язку. Різниця полягає тільки у зміні характеру рівняння різниць (24). Відповідно змінюється і рівняння різниць, яке характеризує початкову умову, а також вираз (25) для визначення миттєвої потужності нагрівника.

При розгляданні моделі теплопровідності через стіну приміщення за основу взяті нестаціонарні термодинамічні умови згідно із законом Фур`є (вирази 26 і 27). В останніх значення густини теплового потоку (q) і температури (Т) є функціями складової х і часу t. Після диференціювання обох частин рівняння (26) по х і підстановки отриманого виразу у рівняння (27) з урахуванням початкових та граничних умов процесу, а також низки інших додаткових умов, одержуємо рівняння Фур`є, які розв`язуємо методом скінчених різниць. Замінивши диференціали в рівнянні (27) виразами визначених диференціальних змінних, отримали рівняння різниць для і-го елементарного шару, яке стосується всіх шарів стіни за винятком пограничних, коли і=2, 3,..., n-2. Поверхневі температури То і Тп пограничних шарів стіни (для і=1 та і=n-1) визначаємо через граничні умови. В результаті одержуємо наступну систему, яка складається з n-1 рівнянь і містить n-1 невідомих (28). Розв`язок даної системи дозволяє визначити температуру в елементарних шарах стіни для моменту часу t+Dt. Після чого визначають температуру для кожного елементарного шару та всіх інших шарів згідно з алгоритмом обчислення.

В заключному питанні розділу наведено розрахунок процесу теплообміну в приміщенні.

Третій розділ присвячено розробці енергозберігаючих технологій та засобів покращення ЕП СТП.

Статистичні дані свідчать, що з коштів, виділених на опалення будинків, 70% витрачається марно переважно через низький рівень теплоізоляції. Виходячи з цього, в об'єктах теплоспоживання можна досягти зниження загальної теплової потужності шляхом використання при будівництві, ремонті або реконструкції будинків сучасних високоефективних теплоізоляційних матеріалів. При цьому утеплення споруди може бути як внутрішнім, так і зовнішнім. Розглядаються особливості кожного з видів утеплення, сформульовані вимоги до їхніх систем. Розмаїття теплоізоляційних матеріалів зведено до окремих груп, описано переваги і недоліки кожної групи, розглянуто фактори, що обумовлюють вартість теплоізоляційного матеріалу.

Широко висвітлено термографічний метод діагностування елементів СТП, зокрема: нагрівників різних типів та зовнішніх огороджень житлових, промислових та адміністративних будівель. Термографія відноситься до дистанційного методу діагностування поверхонь об'єктів, при цьому реєстрація градієнта температур на досліджуваній поверхні здійснюється інфрачервоними термометрами різних типів, чутливість яких забезпечує реагування на випромінену, відбиту та пропущену тілом енергію. За допомогою термографічних досліджень можна отримати як кількісні, так і якісні результати. При кількісних дослідженнях (визначають втрати теплоти в конкретному місці досліджуваного об'єкта) додатково використовують математичні залежності, які описують процеси теплообміну в системі поверхня об'єкта - довкілля.

Термографічні дослідження проводять в такій послідовності: вивчають наявну технічну документацію досліджуваного об'єкта; проводять вибір конкретних умов дослідження в залежності від мети; вивчають зміну температурного поля на досліджуваній поверхні; проводять реєстрацію розподілення поверхневих температур по площі досліджуваного об'єкта та додаткових метеофізичних параметрів для можливості розшифрування одержаного термографічного зображення. Для отримання точних кількісних результатів дослідження проводять обробку даних із залученням комп'ютерних технологій за спеціально розробленими програмами.

При кількісних термографічних дослідженнях тепловтрат різними елементами будинку за результатами якісних досліджень проводять поділ вузлів будівлі на елементи з однорідними тепловими властивостями; потім елементи розчленовують на зони, розміри яких характеризуються сталістю досліджуваного параметра; для кожної з виділених зон аналітично визначають термічний опір. Одержують поверхню будинку, умовно поділену на плоскі та лінійчасті елементи, потім на неї накладають сітку із заданим кроком для встановлення характерних точок вимірів. Лінійчастий елемент утворюється в місцях стику елементів будівлі, що мають різні теплопровідні властивості.

Використанню термографічного діагностування передує збір інформації з умов та режимів роботи вузлів центрального опалення. Термографічні дослідження передбачають індивідуальний підхід до кожного типу будівлі та вузлів теплових мереж, а також їхнього технічного стану.

Визначивши характерні точки ізоліній температурних полів, можна звести визначення теплових характеристик елементів досліджуваної поверхні до реєстрації відповідних параметрів лише у реперних точках, що значно скорочує час, а отже і кошти, на проведення досліджень.

При термографічних дослідженнях різних типів нагрівників з регулювальною апаратурою бралися до уваги і гідродинамічні явища в них. Гідродинамічні явища, які мають місце при протіканні води через водопровідні крани та крани з термостатичними головками, встановлені на нагрівниках, розглянуто в наступному параграфі даного розділу. Відмічено, що забезпечення безкавітаційного режиму регулювально-запірних пристроїв зокрема і гідравлічної системи в цілому є однією з основних умов, що обумовлюють довговічність обладнання. Розглянуті особливості роботи кранів з м'яким регулюванням, з системою обліку витрат води та з подвійним регулюванням. Всі зазначені конструкції розроблені автором роботи і захищені патентами Польщі. Використання удосконалених водопровідних кранів в теплових мережах дозволило: підвищити надійність їхніх окремих елементів, здійснити м'яке або, в разі потреби, подвійне регулювання витрат води через нагрівник з гарантованою ефективною системою її обліку.

Одним з вузлів, який забезпечує енергозбереження на останній стадії транспорту теплоти в приміщення є термостатичні головки (регулятори температури), що встановлюються на водяних кранах. Останні призначені для індивідуального автоматичного керування процесами розподілення та постачання теплової енергії до окремих нагрівників з метою підтримування в приміщенні наперед заданої споживачем температури повітря. Інтервал температурного регулювання термостатичних головок становить від 6 до 30 °С. Окрім того, вона має функцію, спрямовану проти замерзання води в СТП. Якщо необхідно змінити кількість теплоти, що надходить в приміщення, термостатичну головку настроюють на інший температурний режим. В адміністративних та виробничих будівлях в святкові та вихідні дні температуру повітря в приміщеннях підтримують в режимі чергового опалення за допомогою термостатичних головок.

Встановлено, що раціональним та економічно вигідним є пристосування існуючої СО до нових умов, пов'язаних з утепленням будинків, оскільки загальна вартість її реконструкції складає 15-25% від вартості повної заміни теплової мережі. Показано, що мінімальний обсяг модернізаційних робіт складається з проектної та виконавчої частин, подано повний перелік зазначених робіт по відповідних частинах.

Надійність елементів та вузлів СТП і ТС визначається рівнем їх виготовлення з використанням сучасних технологій, відповідності конструкції рівневі останніх науково-технічних досягнень, високою технологічною культурою виконання монтажно-будівельних робіт та дотриманням режимів експлуатації.

Четвертий розділ присвячений експериментальним дослідженням режимів експлуатації СЦТП та методам термографічного діагностування їхніх вузлів.

Метою експериментальних досліджень була перевірка математичної моделі процесів обміну теплоти в об`ємі приміщення. При цьому визначався вплив на тепловий комфорт (PMV) приміщення наступних чинників: температури повітря та поверхонь стін, відносної вологості повітря, швидкості його руху та типу нагрівника.

Оскільки навколишнє середовище є одним з найнепередбачуваних дестабілізуючих факторів, які в значній мірі порушують тепловий баланс приміщення, були обчислені осереднені метеопараметри систематизованих груп днів опалювального сезону, значення яких використовували в теплових розрахунках найрізноманітнішого призначення (від загального прогнозування обсягів теплоспоживання за опалювальний період до складання добових графіків з метою погодинного регулювання ЕП СТП).

Для експериментальних досліджень використано камеру замкненого типу, яка являє собою герметичне приміщення з розмірами 4ґ4ґ3 м. Стіни камери в залежності від умов проведення експерименту можуть обігріватися або охолоджуватися циркулюючою водою. Апаратура, встановлена в камері, дозволяє реєструвати контрольовані параметри з високим ступенем точності протягом необхідного періоду часу і з заданим часовим інтервалом вимірювання.

До складу контрольно-реєстраційного комплексу входило: система датчиків для реєстрації наступних температур: заданих точок поверхонь стін дослідної камери, повітря на висоті 0,05; 0,75; 1,5 та 2,95 м від підлоги та води у нагрівнику; багатоканальна система вимірювання AL154 з відповідним комп`ютерним забезпеченням, яка 18-ма датчиками реєструвала поверхневі температури нагрівника і стін камери та 3-ма датчиками - температуру повітря в ній; вимірювач теплового стану середовища, за допомогою якого проводили комплексні вимірювання та реєстрацію будь-яких параметрів теплового комфорту в дослідній камері на трьох рівнях одночасно з паралельною реєстрацією номінальних (осереднених) значень температур сухого та мокрого (психометричного зонду) термометрів, температури в кулі Верона та швидкість руху повітря через термоанемометр; термографічна апаратура AGA-750 з відповідним комп`ютерним забезпеченням, яка реєструє та перетворює сигнали різної інтенсивності, отримані від багатоканальної системи AL154, в наочні зображення, що значно спрощує аналіз розподілення температурних полів на досліджуваних поверхнях, а також їхньої випромінювальної здатності.

Під час досліджень в дослідній камері використовувалися такі нагрівники: GР-2 (сталева плита); ТА-1 (з чавунних ланок); Retting 1,0 м; 0,6 м та 1,6 м (сталева плита); Gracja (з чавунних ланок). Нагрівники монтували на висоті 0,1 м від підлоги. Поверхневу температуру нагрівника обчислювали як середнє арифметичне значення температур води на вході та виході з нього. Наведені схеми дослідних стендів та обладнання, а також їхній загальний вигляд.

Для узагальнення отриманих експериментальних даних, їхнього аналізу та порівняння з результатами теоретичних досліджень і розрахунків був обчислений показник теплового комфорту з використанням програми PMVK, розробленої д-ром С.Турлейським. Відповідність значень РМV, визначених теоретично та експериментально, є дуже високою. Найбільша відносна похибка з дев`яти серій вимірювання є у п`ятій серії і складає 5,6%. Переважаючим джерелом похибок був психрометр, в якому дуже швидко випаровувалася рідина з посудини мокрого термометра. Це призвело до незначного завищення показників відносної вологості повітря в камері.

За результами випробувань було проведене моделювання розташування ізоліній РМV із залученням програми Сурфер 6.

Моделювання проводилося при обробці даних, отриманих під час експериментальних досліджень з чавунним нагрівником типу ТА-1, складеним з 9-ти ланок. Розподілення ізоліній по перерізу приміщення дослідної камери підтверджує теорію ступінчастого розповсюдження теплоти при її випроміненні твердим джерелом теплової енергії у незбурене повітряне середовище. Окрім того, розподілення ізоліній вздовж стін камери, віддалених від нагрівника, прекрасно узгоджується з попередньо прийнятими припущеннями про відбиття випроміненої нагрівником теплової енергії предметами, розташованими в приміщенні. Зауважено, що метеоумови вздовж лівої та правої стін камери є дещо іншими, що вказує на неповну її ізотермічність.

Розглянуто чотири конструкції термостатичних головок водопровідних кранів, розроблених під керівництвом та безпосередньою участю автора даної роботи, а також сім конструкцій інших фірм. Наведено порівняльний аналіз основних ЕП термостатичних головок для водопровідних кранів. Проведені їхні гідродинамічні випробування в стендових умовах, в результаті яких вперше отримані значення коефіцієнтів витрат води kng, які залежать від зазору між клапаном та гніздом. Результати цих випробувань є корисними не тільки для проектантів аналогічної продукції, але й для експлуатаційників.

В подальшому були отримані наступні залежності: уточнена формула для розрахунку коефіцієнта витрат води по каталогу (knz) та рівняння узгодженості температурного датчика вентиля з температурою повітря в ОПБ.

Результати діагностування теплових мереж проілюстровані на термограмах нагрівників різних типів, житлової та адміністративної будівель. Наведені загальні умови діагностування нагрівників, докладний опис унікального комплексу апаратури, що використовувалася в дослідженнях, а також послідовність їх проведення. Термографічні дослідження теплового стану ребристого чавунного (першого) та сталевого (другого) нагрівників з різним технічним станом (заповітрені, відповітрені, забруднені та очищені) дозволили отримати спектр їхніх поверхневих температур. При цьому було встановлено наступне:

- у заповітреного першого і другого нагрівника близько 30% та 26%, відповідно, їхньої загальної поверхні є холодною, у відповітрених - 22% та 20%. Поверхневі температури нижньої та верхньої частин зазначених нагрівників фактично не залежать ні від типу, ні від ступеня їхньої заповітреності і мають такі значення: нижні частини 40-48 °C, верхні - 76-82 °C;

- у забрудненого чавунного нагрівника приблизно 36% площі від його загальної поверхні є холодною, у очищеного - тільки 10%. Поверхнева температура нижньої частини зазначених нагрівників відповідно становить 20-30 °С та 48-54 °С, верхньої - 35-38 °С та 48-54 °С;

- забруднений та очищений чавунні нагрівники були заживлені у вертикальному (чисельник) та горизонтальному (знаменник) положеннях. Початкова осереднена поверхнева температура складала, відповідно, 50,9°С/30°С та 45°С/40°С, далі вона зростала до 53,7°С/55°С та 50,8°С/51,7°С, потім спадала до 42,5°С/40°С.

46,8°С/49°С і в подальшому її значення трималося на рівні 47°С/35°С та 42°С/49°С. Перепад поверхневих температур між ланцюжком послідовних їхніх значень склав 15°С/11,7°С, 15°С/(-2,7)°С та 5°С/7,5 °С. Отже, градієнт поверхневих температур очищеного ребристого чавунного нагрівника є незначним, що обумовлено термічною стабільністю його поверхні тепловіддачі;

- сталевий нагрівник без екрану (чисельник) та з екраном (знаменник) при температурі повітря в приміщенні 22,1°С мав температуру води на вході 91,2°С/91,1°С, на виході - 70,2°С/72,2°С; осереднене значення температури води у нагрівнику становило 74,6°С/75,5°С; середня поверхнева температура нагрівника складала (40,2±1,1)°С/(37,8±2,6)°С. Згідно з гістограмами розподілення поверхневих температур найбільша ділянка поверхні (17,5%/20,4% від загальної площі поверхні нагрівників) мала поверхневу температуру 75-78 °С, найменші ділянки (4,1%/3,9% та 0,1%/0,2%), відповідно, температури 84-87 °С та 60-63 °С (зазначені температури для обох нагрівників є однаковими). Таким чином, окремі ділянки поверхні сталевого нагрівника без екрану мають більш високі температури, ніж нагрівника з екраном, але його недолік полягає у нестабільності ТР, обумовленій великим градієнтом поверхневих температур (Dt=30 °C). Окрім того, плавна зміна поверхневої температури від мінімального до максимального значень в нагрівнику з екраном вказує на відносну сталість процесу теплообміну в парі нагрівник-приміщення.

Далі наведені закономірності зміни ЕП нагрівника Т-1 при різних режимах його роботи в тепловій мережі. А саме: постійно увімкнений протягом 8-ми годин та увімкнений-вимкнений на різний проміжок часу. В результаті досліджень було встановлено, що середній приріст температури повітря приміщення при першому режимі склав 5,87Ч 10-3 °С/хв, а при другому - 9,09Ч 10-3 °С/хв. Оскільки умови проведення випробувань в обидва випадках є абсолютно ідентичними, то виявлений факт пояснюється тільки підвищенням витрати гарячої води через нагрівник у другому режимі випробувань, яка у порівнянні з середніми значеннями першого режиму зросла в 1,25 рази. Проте, зважаючи на порядок показника інтенсивності зростання температури повітря в приміщенні (10-3), можна стверджувати, що в загальному витрата води через нагрівник майже не впливає на ТР приміщення, на що, власне, вказують і теоретичні дослідження. Експериментальні дослідження двох режимів роботи нагрівника підтвердили доцільність його періодичного вимикання, що в загальному призведе до економії енергоресурсів без порушення теплового комфорту приміщення.

...