Проблемы в индивидуальных системах теплоснабжения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Национальный исследовательский Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарева, аспирант

ПРОБЛЕМЫ В ИНДИВИДУАЛЬНЫХ СИСТЕМАХ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ

Гунина Д.Д.

Муромцев С.В.

В современной России получило широкое распространение индивидуальное жилищное строительство. В том числе, в рамках реализации программы «Дальневосточный гектар». Кроме этого, современное понимание «дачного домика» стало включать в себя не только летний сезон, но и сезон холодного периода, не исключая и зиму. В связи с этим, особое внимание стали привлекать индивидуальные системы отопления.

Из истории развития систем отопления - первые индивидуальные системы отопления помещений (зданий, жилищ) появились в незапамятные времена, во времена (пещерного, землянкового, ярангового) проживания человека, это был примитивный костер из подручного материала, выполнявший комбинированную функцию комплексного источника энергии - освещение + отопление + приготовление пищи [1-3]. Основная проблема кострового «отопления» - низкий КПД. В частности, КПД костра для теплоснабжения примитивного жилища не превышает 1%. С давних пор человечество искало возможность согреться в суровых погодных условиях в северных широтах и, безусловно, преуспело в этом.

Достоверно неизвестно как конкретно в каждой из местностей происходила эволюция (отопительных, осветительных устройств и систем), но на сегодня достоверно известно, что на Руси основным устройством (системой) отопления многие годы были: примерно, до XIV-XV веков курной очаг; позже, на долгие десятилетия «воцарилась» печь. Даже в фольклоре русского народа нашло отражение исходной точки строительства жилища (избы) - «начинаем от печи». Принципиальное отличие очага от печи было в том, что очаг топился «по черному», т.е. «открытым» горением без применения дымохода, а печь - «по белому», т.е. с отводом продуктов горения (дыма) через специальную систему - дымоход. Печь (очаг) являла собой самый центр русского жилища, вокруг неё формировались спальные места (самые теплые, естественно, на печке и на полатях наверху, под потолком), в её «отделениях» велось приготовление пищи. Суть обогрева жилища печью, по отношению к очагу, сводилась к повышению эффективности использования горячих газов, появляющихся от сгорания дров. Если от костра (очага) дым улетучивался и не мог более осуществлять обогрев людей вокруг костра (очага), то движение дыма по дымоходам печи приводило к остыванию дыма и прогреванию кирпичей (камней или глины), из которых была сложена печь, что позволяло после окончания горения топлива ещё значительное время (несколько часов) продолжать обогревать окружающее печь пространство. Таким образом, КПД русской печи доходило до 7% в части обогрева жилища [1-3]. Альтернативой громоздкой, но «очень теплой» русской печи, со временем, после «прорубания окна в Европу» Петром I в XVIII веке, стали компактные и экономичные «голландки» - «голландские печи» или, их наиболее распространенная в России «версия»: «Утермарковские печи» и «Изразцовые печи». Эти печи имели значительные по мощности дымоходы, но не имели значительной (по сравнению с «классической» русской печью) каменной массой. Голландки сохраняли зону приготовления пищи в большинстве своих модификаций. «Печная» схема отопления привела к потребности появления альтернативного источника для освещения помещений - печь не могла осуществлять освещение жилища ввиду «закрытой» камеры сгорания топлива. Отметим, что вся последующая цивилизация систем отопления применяла закрытую камеру сгорания - «топку» - как более эффективную с точки зрения теплотворной способности по сравнению с открытой «горелкой» аналог костра(очага) с различными видами топлива.

В Европе, например, основным устройством (системой) отопления стал камин. Его основное отличие от русской печи в том, что он не имеет массивной каменной (кирпичной) составляющей и, соответственно, не способен отдавать тепло, «запасенное» от горячих дымов сгорания топлива, значительное время после того, как топливо погасло. Однако, его конструкция предусматривает «прямую» отдачу тепловой энергии (теплового излучения) непосредственно в отапливаемую зону, откуда и появилось «романтичное» -«посидеть у камина с бокалом».

Приблизительно, на рубеже XVIII-XIX веков, в России получило массовое распространение, так называемое, воздушное отопление помещений. В зданиях, преимущественно, богатых владельцев, устраивались «центральные» печи, от которых, по системам воздуховодов разводился подогретый воздух до всех потребных помещений. Практические предвестники современных систем водяного (парового) отопления появились в России ближе к середине XIX века [2,3].

Современные малогабаритные системы индивидуального отопления с применением топливных горелок или топок, в основном, это системы низкого давления с жидким теплоносителем. По виду современные отопительные системы подразделяются на замкнутые и открытые (или часто их называют атмосферные), а по типу - на конвекционные (самостоятельные) и принудительные. В открытых системах применяют атмосферные расширительные баки, компенсирующие тепловое расширение теплоносителя, а в замкнутых системах расширительный бак имеет гибкую мембрану для этих целей и никак не сообщается с атмосферой. Как правило, современные индивидуальные отопительные системы создаются в интересах конкретного собственника некоего объекта недвижимости (отдельно стоящего здания или группы зданий) - объекта отопления - с целью оптимизации расходов на поддержания нормальных климатических условий в осенне-зимний (отопительный) период[4,5,6].

Нельзя не отметить, что с развитием систем электропередачи, в качестве основной отопительной системы конкретного объекта можно применять и электрические тепловые системы: конвекционные, жидкостные (в т.ч. масляные), инфра-красного обогрева и индукционные [4]. В каждом конкретном случае, конечно, необходимо производить расчет с учетом доступности конкретного вида тепловых приборов и допустимой мощности на потребление в рамках объекта [5-11]. Как правило, по степени уменьшения энергопотребления по отношению на тепловую эффективность, электроотопительные приборы показывают следующую последовательность: индукционные, конвекционные, жидкостные и инфра-красные. К сожалению, «напрямую» применять эту зависимость для создания энергоэффективной системы электрического отопления нельзя. Проблема индукционных источников тепла в том, что они используют физические принципы, не совместимые с присутствием человека или животных в момент активного включения таковых накопителей. Их, как правило, применяют для обеспечения климатики, например, складских помещений. Проблема ИК-источников в том, что они нагревают конкретный предмет «обстановки» (в то числе - стены, полы, специальные экраны-концентраторы и т.д.), поэтому, если, например, человек или животное будут спасть в зоне работы ИК-источника тепла, то последствия такого «прямого» нагрева могут быть самые неприятные. В отличие от индукционных и ИК-систем, конвекционные и жидкостные системы электрического отопления способны применяться в любых условиях и для любых типов общегражданских помещений. Однако, конвекторы, теоретически, в отдельных случаях конструкций, могут «выжигать» кислород в отапливаемых помещениях, тогда как жидкостные системы отопления на электрических нагревателях не имеют такого недостатка. Удобство распределения и потребления электрической энергии, во многом, определяют широту применения электрических источников тепла. энергоноситель отопление тепловой прибор

Таким образом, при создании конкретной системы отопления основным критерием базового метода отопления (электрический или топливный) является экономический - во-первых:

по принципу доступности «базового» энергоносителя (жидкое топливо, твердое топливо, газ, электричество или иной базовый энергоноситель);

во-вторых: по совокупной стоимости «готовой» (по проекту) системы отопления объекта «в целом» - т.е. сумма стоимости всех элементов теплогенерации, распределения потоков, подвода энергоносителя, отвода продуктов генерации и т.д [7-11]. На практике, при создании конкретной системы отопления конкретного объекта целесообразно применять совокупную систему, которую часто в быту называют «взвешенный подход».

Далее будем рассматривать системы, осуществляющие жидкостное отопление.

Итак, основной современных систем жидкостного отопления являются несколько подсистем:

1. Котел.

2. Теплоноситель.

3. Тепловые приборы.

4. Подсистема распределения.

Фактически, на текущий момент можно выделить ещё одну подсистему, призванную оптимизировать расходы на получение первичного «топлива» - это система автоматизированного (или даже - автоматического) управления. Эта подсистема должна формировать потребность в первичном топливе для обеспечения «вторичной» теплогенерации, позволяющей:

1 вариант - поддерживать стабильную (заданную) температуру теплоносителя в подсистеме теплопередачи и распределения;

2 вариант - наиболее комфортабельный для жилых помещений, поддерживать «стабильную» (в заданных пределах min - max) температуру внутри отапливаемого помещения.

Основная задача этой «подсистемы» - сформировать потребление минимально необходимого количества «дорогостоящего» «первичного источника энергии» для обеспечения исполнения задачи стабилизации климатики (отметим - рассматривается задача отопления в холодное время года) внутри рассматриваемого объекта [11].

Итак - оптимальное экономическое отношение между совокупностью основных 4-х подсистем, казалось бы, гарантирует получение искомого варианта отопления объекта, но фактически, «совокупная стоимость» теперь уже, с учетом «подсистемы автоматики» решает ещё одну «незаметную» задачу - перегрев системы отопления! Обратим внимание на то, что подсистема автоматики, получая «задание» на выдержку температуры как «теплоносителя», так и температуры помещения (помещений) объекта, решает задачу защиты всей системы отопления от перегрева и, как следствие, от разрушения (вне рамок рассмотрения настоящей статьи). Исходя из изложенного, получаем, что стоимость оптимальной системы отопления обязательно должна включать в себя стоимость подсистемы автоматики, как минимум, на случай разморозки (напомним - жидкостная система отопления) и на случай перегрева.

Нельзя не заметить, что такие системы отопления в нашем случае, строятся, как правило на водоподобных теплоносителях по элементарной причине: текучесть воды, её доступность в совокупности с применяемой автоматикой разморозки (перегрева) позволяют минимизировать стоимость подсистемы теплоносителя.

Итак, имея в наличии «котел» - подсистему преобразования «первичного» энергоносителя в тепловую энергию, водоподобный теплоноситель в совокупности с подсистемой автоматической защиты от разморозки (перегрева), считая, что мы имеем однотипную (единообразную) подсистему распределения и вторичного обогрева «на местах» (в помещениях), можно считать, что задача расчета конечной стоимости владения «упирается» в тип первичного энергоносителя плюс «котел», которые будут заставлять циркулировать теплоноситель в подсистеме распределения и «вторичной» теплогенерации. А вот здесь и скрылась «задача» определения потребности в «принудительной» циркуляции. Имеется ввиду, что есть ли реальная потребность в установке «циркуляционного» насоса для систем индивидуального отопления? Ответ на этот вопрос весьма неоднозначен. Есть огромное количество материала, привлекающего сторонников как на схему с принудительной циркуляцией, так и на схему «прямой» (или естественной) циркуляции. Фактические данные при аналогичных случаях, как правило, грешат неточностями. Единственное, что можно заявлять определенно: при многоконтурных системах отопления на жидкостной основе с единым центром теплогенерации (котлом) рационально применять принудительные системы рециркуляции, однако, при одноконтурном варианте применения жидкостного отопления, проще и рациональнее использовать рециркуляционную силу теплотворной мощности основного котла.

Применение современных подсистем автоматики на основе современных контроллеров [11,12] позволяет широко использовать модуляцию подсистемы теплогенерации как для жидкостных, так и «напрямую» для электрических систем отопления.

Приведенные в примере контроллеры позволяют, при помощи применения комбинированной схемы управления: «управляемая розетка» плюс «контактор». Управлять значительными электрическими мощностями для получения комфортных климатических условий в помещениях объекта. С другой стороны, применение схемы управления, например, газовым котлом с возможностью «входа» от термостата (негативного или позитивного) позволяет применять недорогую жидкостную систему отопления на основе газового котла с учетом настроенной автоматики «поджига» от применяемого «внешнего» термостата.

Резюмируя наши «изыскания» о применении различных вариантов схем индивидуального отопления объектов, считаю возможным заключить, что: с учетом применения схемы автоматизированного управления климатикой объекта, выбрав оптимальную по стоимости совокупного владения систему отопления из расчета на заданное количество лет (за пределами настоящей статьи), необходимо получить технические условия на подведение «первичного» энергоносителя (для Республики Мордовия - газ или электроэнергия) в достаточных для обеспечения отопления заданного объекта объемах, после чего произвести первичный расчет распределения «вторичной» тепловой энергии с учетом применения предлагаемой схемы управления климатикой [13].

В случае завышения стоимости от применения «тривиального» печного отопления - применить печное отопление с (дровяным, торфовым, угольным), (требуется расчет вне пределов настоящей статьи) энергоносителем.

Прошу обратить внимание, что современные котлы могут применять различные топливные среды для обеспечения «первичной» теплогенерации даже для малых индивидуальных объектов (частные дома).

Библиографический список

1. Кабанов О.В., Панфилов С.А. Влияние качества электроэнергии на работу энергосберегающего оборудования / Проблемы и перспективы развития отечественной светотехники, электротехники и энергетики. - Саранск. М: ИП Афанасьев. В. С., 28-29 мая 2015 г. - С. 526-533.

2. Кабанов О.В., Панфилов С.А., Андронова О.А. Аналитический обзор методов оценки (измерения) теплофизических характеристик исследуемого объекта. / Актуальные вопросы науки и техники. - Самара. М : ИЦРОН, 11 апреля 2016 г. - С. 107-111.

3. Кабанов О.В., Панфилов С.А., Современных методов определения теплофизических свойств объектов / XLIV Огарёвские чтения. - Саранск. М: МГУ Огарёва, 08-15 декабря 2015 г. - С. 156-160.

4. Кабанов О.В., Панфилов С.А., Современных методов оценки теплофизических свойств объектов / XX научно - практической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов. Национального исследовательского мордовского государственного университета им. Н.П. Огарёва. - Саранск. М: МГУ Огарёва, 16-23 мая 2016 г. - С. 169-174.

5. Кабанов О.В., Панфилов С.А., Хремкин А. С. Способ определения теплофизических свойств строительных объектов / Вестник ВСГУТУ 5 (62) . - Улан-Удэ. М: ВСГУТУ , 2016 г. - С. 49-57.

6. Кабанов О.В., Панфилов С.А., Барычев В.И. Обзор современных методов определения теплофизических свойств материалов и объектов с использованием электротехнических устройств. / Развитие технических наук в современном мире. - Воронеж: ИЦРОН, 08 декабря 2015 г. - С. 178-180.

7. Кабанов О.В., Панфилов С.А., Бобров М.А., Хремкин А. С. разработка метода определения теплофизических свойств объектов / Научно-технический вестник Поволжья (5). - Казань. М: Научно-технический вестник Поволжья , 2015 . - С. 253-256.

8. Кабанов О.В., Панфилов С.А. Алгоритм автоматизированной системы управления системой теплоснабжения / Проблемы и перспективы развития отечественной светотехники, электротехники и энергетики. - Саранск. М: ИП Афанасьев. В. С., 28-29 мая 2015 г. - С. 534-538.

9. Кабанов О.В., Панфилов С.А., Альтернативные источники энергии и их перспективы / XX научно - практической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов. Национального исследовательского мордовского государственного университета им. Н.П. Огарёва. - Саранск. М: МГУ Огарёва, 16-23 мая 2016 г. - С. 164-169.

Аннотация

В данной статье рассмотрены проблемы, возникающие при проектировании индивидуальных систем отопления. Проанализированы характерные особенности, критерии базового метода отопления. Выявлена и обоснована необходимость наличия технических условий на подведение первичного энергоносителя в достаточных для обеспечения отопления заданного объекта объемах, с учетом применения предлагаемой схемы управления климатикой. На основе проведенного исследования авторами предлагается выделить что, в каждом конкретном случае необходимо производить расчет с учетом доступности конкретного вида тепловых приборов и допустимой мощности на потребление, в рамках рассматриваемого объекта.

Ключевые слова: анализ, исследование, история развития отопления, отопление, проблемы., теплоснабжение, управление

Размещено на Allbest.ru