В статье рассмотрен вопрос влияния присутствия и количества людей в здании на теплопотребление отопления. Освещён вопрос различных подходов к погодному регулированию. Было рассмотрен метод модернизации рассматриваемой системы путем учёта нового коэффициента и на примере выявлено его достаточное влияние.
Олейников В.С., Бурячек И.Ю., Иванова В.И., Фаламеев Е.П.
Одними из главных задач в сфере услуг ЖКХ являются улучшение условий для комфортного проживания человека и снижение затрат на коммунальные расходы, стоимость которых ежегодно возрастает. Таким образом, возникает потребность в экономии ресурсов, таких как тепловая энергия, при этом необходимо сохранить качественное регулирование температуры воздуха. На сегодняшний день существующая методика погодного регулирования поддерживает комфортные условия внутри здания опираясь на значение температуры уличного воздуха. Различаются несколько подходов подобного регулирования для систем с водоструйным элеваторным узлом (см. рис. 1):
где Тпом – температура в помещении, которую необходимо поддерживать на заданном уровне,
Тул – уличная температура,
Т11 – температура теплоносителя, поступающая к потребителю,
Т21 – температура теплоносителя, возвращающаяся от потребителя.
Первый и второй подходы является наиболее распространёнными по причине их простоты - чем ниже температура на улице, тем выше температуру необходимо задавать на теплоносителе, необходимо меньшее количество датчиков. Однако, проблемой такого подхода является отсутствие информации о равномерности прогрева дальних от и ближних относительно теплового пункта участков здания. Третий подход призван устранить данный недостаток - система управления имеет возможность производить подобную оценку.
Ни один из трёх подходов не решает проблему периодичности заполнения здания людьми. Классическим приёмом является изменение уставки по календарю. Заранее настроенный в системе управления график изменяет уставку температуры в здании. Если в выходные дни в здании отсутствуют люди, то можно понизить поддерживаемую температуру, тем самым снизив затраты на обогрев здания. Но календарных подход к регулированию призван снижать затраты при отсутствии людей, а не повышать комфорт и постоянство температуры при их присутствии. С целью улучшения оптимизации системы регулирования температуры следует учесть влияние тепловыделений от людей внутри помещений.
Прослеживается четкая зависимость температуры в комнате от количества пребывающих в ней людей [1]. Человек отдает часть энергии в окружающую среду в виде полной теплоты, которая представляет собой сумму явной и скрытой (см. рис. 2). Явная теплота обусловлена конвективным и лучистым теплообменом. Скрытая теплота является энергией, которая поступает от испаряющейся влаги, испаряющейся с тела человека. Тогда с учетом данных параметров расчёт количества теплоты вычисляется следующим образом:
где n – количество человек в помещении;
qявн – явная теплота;
qскр – скрытая теплота.
Необходимо учитывать, что полная теплота напрямую зависит от рода занятий человека и параметров воздуха. Чем выше температура воздуха в помещении, тем больше скрытое тепловыделение и меньше явное.
Схожая зависимость наблюдается при различных видах деятельности, ведь чем интенсивнее та или иная нагрузка, тем больше тепла, отдаваемого человеком в окружающую среду, выделяется путем испарения. Таким образом, для определения параметров явной и скрытой теплоты, выделяемой взрослым мужчиной, используется таблица 1 [2].
Таблица 1 – Тепловыделения от взрослых людей
Помимо этого, количество теплоты, выделяемое человеком, зависит от его пола и возраста. Так, взрослые женщины выделяют 85% от количества тепла и влаги, поступающих от среднего взрослого мужчины, а дети в среднем 75% [3]. Таким образом, можно уточнить формулу (2) для расчёта количества теплоты в помещении:
где nмуж, nжен, nдет – количество мужчин, женщин и детей соответственно.
В качестве примера было рассмотрено энергопотребление одного из старых корпусов Санкт-Петербургского Государственного Политехнического университета Петра Великого и оценена целесообразность рекомендованного метода модернизации системы погодного регулирования. В соответствии с данной системой температура внутри здания должна поддерживаться на комфортном для человека уровне в 20 °С. Среднестатистическое энергопотребление пятиэтажного здания в наиболее холодный период года равняется 0,5 Гкал/ч. Определим, что средняя дневная посещаемость корпуса примерно 500 взрослых человек, где половину составляют мужчины. Тогда, в соответствии с формулой 3, а также показателями из таблицы 1, люди, выполняющие легкую работу в легкой одежде, выделяют тепло, равное:
С учетом, что 1 Вт примерно равняется 0,86 кКал/ч:
что составляет 12% от общего потребления здания. В весенний или осенний сезоны, когда потребление тепловой энергии ниже максимальной, процентный вклад тепловыделений людей становится выше. В свою очередь это демонстрирует необходимость учёта данного фактора при регулировании температуры воздуха для повышения комфорта и снижения перерасхода энергоресурсов.
Для реализации модернизированной системы следует фиксировать количество людей пребывающих в здании с помощью систем подсчетов посетителей. Тогда на основе данного значения рассчитывается общее тепловыделение от людей, что необходимо учитывать в системе погодного регулирования для более эффективной работы.
Следует заметить, что подход погодного регулирования, учитывающий температуры подающего теплоносителя и обратного, косвенно учитывает фактор заполнения здания людьми – Т21 в таком случае будет повышаться. Однако следует учесть большую тепловую инерцию системы отопления, избыточность теплопотребления начнёт учитываться через час и более [4], чего недостаточно, учитывая специфику заполняемости приведённого в примере учебного здания, ведь количество людей в нем изменяется каждые 2 часа, что соответствует расписанию занятий. Поэтому предложенный подход внесения корректировок в расход теплоносителя с учетом отслеживания заполняемости здания людьми является наиболее подходящим для поддержания температуры внутри здания на одном уровне, особенно с учетом подхода учитывающего температуры подающего теплоносителя и обратного.
Таким образом, на примере энергопотребления корпуса СПбПУ была рассмотрена проблема недостаточно эффективного контроля температуры системой погодного регулирования зданий с неопределённой периодичностью заполнения людьми. В качестве решения предложено учитывать дополнительный параметр, определяющий количество полной теплоты, исходящей от пребывающих в здании людей. Было определено существенное влияние данного параметра на общий показатель энергопотребления системы. Также был рекомендован метод возможной реализации модернизированной системы. Данное решение направлено на увеличение точности регулирования температуры воздуха в здании и уменьшение энергопотребления, что позволит уменьшить затраты на отопление и повысить комфортность пребывания в помещениях.
Список источников
1. Борисов, Б.Г. Отопление промышленных предприятий : учебное пособие / Б.Г. Борисов, К.Б. Борисов ; под редакцией В.Н. Папушкина ; Московский энергетический институт (технический университет). – Москва : Издательство МЭИ, 1997. – 68 с. – ISBN 5-7046-0286-X
2. Расчет поступления теплоты солнечной радиации в помещения. Пособие 2.91 к СНиП 2.04.05-91 / И.Б. Львовский, Б.В. Баркалов. – Москва, 1993. – 45 с.
3. Баркалов, Б.В. Кондиционирование воздуха в промышленных, общественных и жилых зданиях / Б.В. Баркалов, Е.Е. Карпис. – Москва: Стройиздат, 1982. – 312 с.
4. Солдатенков, А. Е. Автоматизация децентрализованного отопления комплекса зданий с основными схемами теплопотребления : специальность 05.13.16 «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (строительство)» : диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук / Солдатенков Алексей Сергеевич ; Белгородский государственный технологический университет им. В. Г. Шухова. – Белгород, 2014. – 196 с. – Библиогр.: с. 143–154. – Текст : непосредственный.