Обеспечение теплового режима зданий массовой застройки в холодный период года тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.23.03, доктор технических наук Кононович, Юрий Владимирович

• Кононович, Юрий Владимирович
• доктор технических наук
• 1991

Оглавление диссертации доктор технических наук Кононович, Юрий Владимирович

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА I. ПРОБЛЕМА ОБЕСПЕЧЕНИЯ ТЕПЛОВОГО РЕШМА ЗДАНИЙ МАССОВОЙ ЗАСТРОЙКИ В ХОЛОДНЫ! ПЕРИОД ГОДА И пга ЕЕ РЕШЕНИЙ

1.1. Сущность и комплексный характер проблемы

1.1.1. Общая характеристика развития массового жилищного строительства и теплоснабжения зданий. Выдвижение проблемы.

1.1.2. Социальные и экономические последствия нарушений теплового режима зданий

1.1.3. Состояние разработки мер по обеспечению теплового режима зданий на стадиях проектирования и эксплуатации

1.2. Исходные принципы решения проблемы. Концепция эффективности сложной системы

1.3. Обеспечение теплового режима здания массовой застройки, как сложной систещ. Мнтегративное свойство системы

1.4. Основные факторы и свойства, влияющие на обеспечение теплового режима зданий.

Системный анализ

1.4.1. Особенности формирования теплдаотребности и использования теплоты на отопление жилых зданий.

1.4.2. Факторы и свойства, обусловливающие надежность функционирования городских систем теп-лоснайжения .*.*.***.*.

1.4.3. Управление отпуском теплоты и режимы отопления зданий при централизованном теплоснабжении

1.5. Показатели и критерии эффективности системы обеспечения теплового режима зданий

1.6. Учет стохастической изменчивости параметров, о* определяющих состояния системы

1.7. Основные направления и задачи исследования

ШВА П. БЕР0ЯТН0СТЮ1ЯЗШШЛИ,.ХАРАКТЁРИСТЖ. В03!ДЩАЮЩЮС ВОЗДЕЙСТВИЙ НА ТЕПЛОВОЙ

П.1. Исходные положения, состояние вопроса и задачи исследования возмущающих воздействий

1.2. Вероятностно-временные показатели характерных изменений температуры наружного воздуха

П.З. Возможная продолжительность стояния температур наружного воздуха определенного диапазона

П.4. Вероятностно-временные показатели изменения интенсивности солнечной радиации . НО

П.5. Возмущающие воздействия повышенных скоростей ветра

П.6. Возмущающие воздействия от внутренних теплоисточников .124 с

Выводы

ГШ Ш. НОРМИРОВАНИЕ ЗАДАННЫХ ВНУТРЕННИХ ТЕПЛОВЫХ

Ш.1. Концепция нормирования тепловых условий.

Состояние вопроса и задачи исследования . ±

Ш.2. Взаимосвязь температур воздуха и ограждений.

Ш.2.1. Инженерный метод расчета теплообмена в помещении . *.

III.2.2. Проверка адекватности метода расчета

Ш.2.3. Расчет температурной обстановки в помещении.

Ш.З. Взаимосвязь теплового состояния и условий теплообмена человека в помещении

Ш.3.1. Показатели комфортного и допустимого тепловых состояний человека и условий его теплообмена.

Ш.З.2. Метод расчета теплового состояния человека и проверка его адекватности

Ш.4. Нормирование параметров температурного режима' помещения

Ш.5. Влазшостный режим помещения при допустимом отклонении температуры внутреннего воздуха.

Ш.6. Сезонные особенности тепловосприятия и фактор привыкания

Выводы.

ГЛАВА 1У. РАЗРАБОТКА ИНЖЕНЕРНОГО МЕТОДА РАСЧЕТА ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА ПОМЕЩЕНИЯ ПРИ ВОЗМУЩАЮЩИХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ НЕПЕРИОДИЧЕСКОГО ХАРАКТЕРА

1У.1, Анализ состояния вопроса. Концепция разработ-ки инженерного метода расчета

1У.2. Эмпирические закономерности процесса охлажде-ния и нагрева помещения

1У.З. Математическое описание нестационарного теплового режима элементов помещения, как объектов единой энергетической системы.

1У.3.1. Математическое описание теплообмена наружных • ограждающих конструкций. Общее решение краевой задачи одностороннего охлаждения (нагрева) пластины при граничном условии 2-го рода

1У.3.2. Математическое описание теплообмена внутренних ограждающих конструкций

1У.З.З. Математическое описание теплообмена нагревательных приборов при их остывании и нагреве

1У.4. Инженерный метод расчета температуры помещения при изменении режима обогрева и наружных условий

1У.4.1. Пространственно-временные условия нестационарного теплообмена помещения

1У.4.2, Дифференциальные уравнения нестационарного теплообмена помещения. Зависимости инженерного метода расчета

1У.5. Основные факторы, влияющие на теплоустойчивость зданий массовой застройки

ГУ.6. Проверка адекватности инженерного метода расчета температурного режима помещения

1У.7. Оценка погрешности существующего приближенного метода расчета охлаждения помещения . ст

ГЛАВА У. СВОЙСТВА ЭФФЕКТИВНОСТИ'СИСТЕМЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА ЗДАНИЙ

У.1. Обеспеченность тепловой мощности отопления зданий.

У.1.1. Принципы выбора тепловой мощности

У.1.2. Методика определения расчетной температуры наружного воздуха для проектирования отопления

УД.З. Тепловая мощность отопления, нормируемая СНиП и необходимая для обеспечения заданных тепловых условий . 30?

У .2. Мощность теплоисточника, устраняющая риск катастрофического теплового режима зданий

У.З. Необходимый уровень надежности систем теплоснабжения и отопления

У.3.1. Принципы установления необходимого уровня надежности систем.

У.3.2. Временные критерии резервирования и оперативности аварийно-восстановительных работ

У.3.3. Допустимое снижение подачи теплоты на отопление при лимитированном режиме теплоснабжения

У.3.4. Требования к надежности тепловых сетей, нормируемые СНиП и необходимые для обеспечения заданных тепловых условий

УЛ. Режимная управляемость систем теплоснабжения -' и отопления зданий

У.4.1. Системные требования к регулированию отпуска теплоты на отопление

У.4.2. Рациональные методы регулирования отпуска теплоты на отопление в тепловых пунктах

У.4.3. Выбор способа регулирования отпуска теплоты по возмущению.

У.4.4. Метод количественного регулирования отпуска тепло- ты при зависимом присоединении систем отопления.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Обеспечение теплового режима зданий массовой застройки в холодный период года»

Вопроса создания и поддержания благоприятных тепловых условий в помещениях зданий массовой застройки в холодный период года при минимальных капитальных затратах и рациональном расходовании энергетических, материальных и трудовых ресурсов приобретают все возрастающую актуальность в связи с быстрым ростом крупных городов, индустриализацией жилищного строительства и централизацией теплоснабжения, а так же возрастанием объемов реконструкции эксплуатируемых зданий и тепловых систем.

В крупных городах уже сейчас проживает более половины населения страны? жилищный фонд, в основном, составляют современные типовые многоэтажные здания, оснащенные всеми видами инженерного обустройства и обеспечиваемые продукцией различных систем энергетики. К тепловым сетям источников теплоснабжения (котельные, ТЭЦ), мощность которых составляет от 60 до 3000 МВт,, присоединяются системы отопления и горячего водоснабжения сотен и тысяч зданий.

В этих условиях состояние тепловой среды помещений определяется эксплуатационными качествами и режимами функционирования интегрированного технического комплекса, включающего объекты различного функционального назначения: здание, системы отопления и вентиляции, другие виды инженерного оборудования (источники бытовых теплопостугшений), система теплоснабжения. По своим масштабам подобные комплексы не имеют аналогов в мировой строительной практике. Вместе с тем во всех климатических районах строительства они обладают характерными свойствами и признаками, обусловленными, главным образом, унификацией основных проектных решений. Следствием этого является и общность причин их недостаточной эффективности, о чем свидетельствует практика эксплуатации.

Наиболее массовые по своему характеру и глубокие нарушения теплового режима зданий, которые имеют место при авариях в тепловых системах в зимний период, сопровождаются значительным социальным и экономическим ущербом. При этом вероятны отказы в использовании зданий вследствие недопустимых тепловых условий, а так же распространение аварийной ситуации на системы электро- и газоснабжения в связи с непредвиденными нагрузками на них. При экстремальном понижении температуры наружного воздуха реальна угроза нарушения гидравлической устойчивости тепловых систем, что приводит к тем же негативным последствиям. Нельзя не считаться и с риском катастрофических тепловых условий при возможном дефиците эксплуатационной тепловой мощности источника теплоснабжения. Скрытые потери энергетических ресурсов особенно в осенне-весенний периоды связаны с недостаточной управляемостью централизованных систем теплоснабжения и отопления.

О существенности ущербов и катастрофических последствий, связанных с недостаточной эффективностью комплексов свидетельствует опыт их эксплуатации в крупных городах за последние 10-15 лет (Москва, Челябинск, Нижний Новгород и др.).

Вместе с тем существующее состояние обеспеченности теплового режима не случайно. Традиционные принципы и методы строительного проектирования отдельных элементов теплового режима, локальная оптимизация их параметров по критериям минимума стоимости, материалоемкости и т.п., оказываются недостаточными (а в ряде случаев и неправомерными) для обеспечения эффективности функционирования комплекса, как единого целого для достижения поставленной перед ним общей цели. Количественный рост тепловых систем порождает новые системные свойства (устойчивоспособность, живучесть') , а так же обусловливает исключительную важность таких показателей качества, как надежность и режимная управляемость. Однако вопросам эффективности систем до недавнего времени уделялось мало внимания и они не нашли всестороннего отражения и учета в нормах строительного проектирования. Попытка восполнения этого пробела на стадии эксплуатации оказываются малоэффективными, вследствие невозможности учета всей совокупности факторов, обусловливающих тепловой режим.

Очевидна необходимость целевого подхода к решению вопросов проектирования и эксплуатации объектов рассматриваемого комплекса, который должен быть ориентирован на достижение конечного результата (эффекта): гарантированное выдерживание гигиенически обоснованных параметров тепловой среды в холодный период года. Это требует разработки соответствующих научно-методологических оонов, включающих принципы, нормы и методы решения задач, связанных с обоснованием и выбором технических и организационных мер, реализация которых позволит обеспечить необходимый тепловой режим. В настоящей работе предпринята попытка решения атой комплексной проблемы.

Таким образом целью исследования является разработка научно-методологических основ проектирования и эксплуатации средств обеспечения теплового режима зданий массовой застройки в холодный период года с учетом гарантированного выдерживания заданных параметров тепловых условий в помещениях, отвечающих социальным, техническим и экономическим требованиям.

В основу решения проблемы положен принцип эффективности сложной системы - системы обеспечения теплового режима зданий (СО ТРЗ) - охватывающей совокупность взаимосвязанных объектов различной природы, участвующих в формировании теплового режима.

Система отражает взаимосвязи объектов инженерного комплекса между собой и с наружным климатом, человеком (жителем), другими системами энергетики. Принцип эффективности требует оценки свойств инженерных объектов - элементов системы с точки зрения их полезности для достижения общей цели функционирования системы, сформированной ее надсистемой. В роли надсистемы выступают тепловые условия в помещении, отвечающие запросам человека. В связи с этим цель функционирования СО ТРЗ формулируется так: "выдержать благоприятные тепловые условия при любых ситуациях отопительного периода". Требуемые тепловые условия характеризуются нормами параметров тепловой среды, отвечающими социальным и экономическим требованиям. Они выступают в качестве заданных тепловых условий и представляют функциональный критерий эффективности при оценке рассматриваемой СО ТРЗ и определении ее эф-фективностной меры.

Таким образом под эффективностью СО ТРЗ понимается то количественно выраженное положительное влияние, которое СО ТРЗ оказывает на функционирование надсистемы. При этом конкретное содержание оцениваемой системы отходит на второй план, уступая первенство оценке вклада системы в деятельность надсистемы.

Оценка эффективности СО ТРЗ требует учета свойств надсистемы, выявление которых представляет самостоятельную задачу. Как показали исследования признаки этих свойств выражаются в том, что в достаточно широком диапазоне изменений параметров внешних и внутренних возмущающих воздействий, температурный режим помещений устойчиво поддерживается на желаемом потребителем уровне, а теплоютери помещения являются функцией ваяйчины тепло-подачи. Такое положение обусловлено двойственной природой механизмов стабилизации тепловых условий в помещениях жилых зданий: технической (свойство теплоустойчивости помещения) и биологической (адаптивное поведение человека-жителя). Раскрытие и понимание сущности этих свойств позволяет более обоснованно сформулировать системные требования к эффективности элементов СО ТРЗ.

Проведенный системный анализ условий функционирования СО ТРЗ позволил раскрыть характер связей между элементами, проследить тенденции их изменения, а следовательно, значимости для результата действия системы на разных этапах отопительного периода, Одновременно конкретизированы требования к свойствам системы, а так же к содержанию и форме представления информации (учитываемой при определении эффективностной меры), характеризующей режимы работы управляемых элементов СО ТРЗ и основные возмущающие^ ¡воздействия, возникающие внутри системы и оказываемые окружающей средой. На основании этсго следует считать, что важнейшими свойствами эффективности СО ТРЗ являются: обеспеченность тепловой мощности отопления здания, необходимый уровень надежности систем теплоснабжения и отопления, а так же режимная управляемость этих систем, рассматриваемая в условиях нормированного отпуска теплоты, которому подчинены устройство и принцип действия систем.

Различные аспекты концепции эффективности СО ТРЗ, как направления исследования, открывающего путь к решению проблемы обеспечения теплового режима зданий, рассмотрены в глЛ.

Следующий этап работа (гл.П-И) посвящен разработке механизмов реализации концепции эффективности, что потребовало проведения исследований широкого круга вопросов и решения научных задач, связанных с развитием информационного обеспечения расчетов за счет учета вероятностной природы возмущающих воздействий; нормированием параметров заданных внутренних тепловых условий; разработкой и подтверждением новых физико-математических моделей нестационарного теплообмена помещения при специфических возмущающих воздействиях непериодического характера.

Исследования (гл,П) показали, что для зимних месяцев большинства климатических районов строительства изменения температуры наружного воздуха достаточно полно характеризуют внешние воздействия. В этот период общий уровень интенсивности солнечной радиации (с преобладанием рассеянной), а так же вероятная продолжительность непрерывшого действия прямой радиации таковы, что не могут оказывать заметного влияния на состояние теплового режима. Учет тепловых возмущений, вызванных скоростями ветра, превышающими расчетную, из-за ограниченности возможной продолжительности их непрерывного действия в одном направлении утрачивает практическую значимость. В переходные, особенно весенний, периоды за счет инсоляции существенно уменьшается доля отопления в энергетическом балансе помещений, а динамика отопительной нагрузки приобретает ярко выраженный стохастический характер. Используя выявленные (при обработке метеорологических данных для ряда пунктов по методике проф. В.Н.Богословского) закономерности изменений температуры наружного воздуха в периоды наибольших за зиму похолоданий разной обеспеченности, предложен метод описания таких температурных изменений, соответствующих обеспеченности 0,92 и 0,98, с использованием параметров, содержащихся в СНиП по строительной климатологии. Бытовые теплопоступ-ления целесообразно характеризовать среднесуточной величиной и учитывать ее ситуационные изменения.

Нормирование заданных тепловых условий (гл.Ш) имеет целью определение параметров тепловой среды, отвечающих комфортному и допустимому тепловым состояниям человека. В связи с этим необходимо было выявить диапазон температур среды, при которых тепловое равновесие организма человека может быть сохранено при обычных для условий жилого помещения теплопродукции и утепленное ти одежды, а так же регламентировать параметры отклонений температуры среды с учетом допустимого теплового состояния человека. Такие отклонения, отражая разумный компромисс между социальными и экономическими требованиями, учитываются при экстремальных эксплуатационных ситуациях, являющихся достаточно редкими событиями. В обоих случаях решение задачи основывается на расчете теплообмена человека с окружающей средой, показателем которой является температура помещения. Для ее определения необходимо знать взаимосвязь температур воздуха и ограждений. Получение таких данных возможно при принятии ряда упрощающих допущений с помощью ЭВМ или аналогового моделирования, что однако трудоемко и недоступно повседневной практике.

Это обусловило необходимость разработки метода расчета теплообмена в помещении, учитывающего совокупность формирующих его факторов (геометрические и радиационные параметры, уровень теплозащиты, способ обогрева, интенсивность воздухообмена, наружные условия) и вместе с тем доступного для инженерной практики. Адекватность метода расчета подтверждена данными расчета на ЭВМ и натурных наблюдений.

Разработаны математические модели стационарного и нестационарного теплообмена человека в помещении, правомерность которых подтверждена сопоставлением данных расчета и специальных гигиенических исследований для представляющего интерес диапазона условий. Полученные расчетные зависимости использованы для нормирования температур среды, соответствующих рассматриваемым тепловым состояниям человека. Построен график, отражающий взаимосвязь глубины и продолжительности допустимого отклонения температуры среды при ее динамическом изменении.

Для расчета реакции помещения на возмущающие воздействия, обусловленные экстремальным понижением температуры наружного воздуха, нарушениями режима отопления вследствие аварий в тепловой системе, перехода на лимитированный режим теплоснабжения и т.п., инженерный метод теории теплоустойчивости не может быть использован. Известные методы решения таких задач с помощью ЭВМ требуют специальных условий. Восполнение эяого пробела потребовало разработки новой физико-математической модели нестационарного теплообмена помещения при указанных воздействиях. При построении модели учтены эмпирические закономерности процесса охлаждения (нагрева) помещения, которые определяют специфику условий теплообмена различных элементов помещения, как объектов единой энергетической системы.

Получено общее решение краевой задачи одностороннего охлаждения (нагрева) неограниченной пластины при граничном условии второго рода - аналога теплообмена теплоемкого наружного ограждения, которое использовано для получения соответствующих поправочных коэффициентов, компенсирующих погрешность расчета, связанную с принятым упрощением математического описания действительного процесса. Подтверждена правомерность принятых способов описания теплообмена других элементов помещения, как объектов единой системы. С учетом этого составлены дифференциальные уравнения теплового баланса помещения при рассматриваемых граничных условиях. Их решения представляют зависимости инженерного метода расчета, которые носят обобщающий характер. Адекватность метода расчета проверена путем сопоставления данных расчета и результатов натурных испытаний и расчетов на ЭВМ при широком диапазоне условий теплообмена помещений. Выявлена зависимость показателя теплоустойчивости представительного помещения зданий массовой жилой застройки от климатических условий пункта строительства.

Разработанный метод расчета нестационарного температурного режима помещений в совокупности с инженерными методами теории теплоустойчивости составляет набор ускоориентированных моделей, необходимых для решения задач, связанных с исследованием эффективности СО ТРЗ.

Б гл.У рассматриваются вопросы определения меры свойств эффективности СО ТРЗ с учетом различных условий строительства.

Выбор тепловой мощности отопления зданий основывается на принципе поддержания допустимых тепловых условий в помещениях при расчетном изменении температуры наружного воздуха обеспеченностью 0,98. Исходя из этого разработана методика определения расчетной температуры наружного воздуха для проектирования отопления, учитывающая климатические условия района строительства и теплоустойчивость зданий. При этом используются климатические данные СНиП [138], и сохраняется метод расчета потерь теплоты помещением, принятый в СНиП [l39].

Проведено сопоставление значений расчетных температур, принимаемых ныне и требуемых для обеспечения заданных тепловмх условий в зданиях массовой застройки с минимально необходимой теплозащитой наружных ограждений, на примере 19 географических пунктов, расположенных в климатических районах 1А, ПВ, ША и ШВ. Получено, что для пунктов первых двух районов, принимаемая в настоящее время расчетная температура занижена на 4. 5°С. Для пунктов других климатических районов картина более разнородна. Во многих случаях температура занижена на I. 3°С (Минск, Харьков, Саратов, Пенза, Курск, Волгоград и др.); вместе с тем, она соответствует требуемой (Москва, Актюбинск) и оказывается завышенной на I. 2°С, (Тверь, Новгород, Уральск). Таким образом, предложенная К.Ф.Фокиным еще в 40-х годах методика выбора расчетной наружной температуры, основанная, главным образом, на опыте московского строительства, не обусловливает равноценные тепловые условия. Для многих пунктов расчетная тепловая мощность отопления может быть уменьшена на 5. 7%, а для других - сохранена практически на существующем уровне.

Выявленные обстоятельства обусловливают неодинаковую для разных городов степень риска катастрофических тепловых условий вследствие снижения эксплуатационной мощности источников теплоснабжения. Поэтому уровень допустимого снижения мощности, который определяется по разработанной методике должен быть дифференцирован и учитывается при разработке мероприятий по подготовке теплового хозяйства к эксплуатации в зимний период.

Выбор необходимого уровня надежности систем теплоснабжения и отопления основывается на принципе обеспечения допустимых тепловых условий в помещениях за время устранения аварий и неполадок в них,который был выдвинут в МШИ проф.А.А.Иониньш и др. Эта идея получила в работе свое дальнейшее развитие и конкретное приложение, дается методика расчета лимита времени, в течение которого возможен перерыв теплоподачи на отопление помещений. Приводятся количественные зависимости этого показателя от расчетных температур наружного воздуха, теплоустойчивости представительного помещения здания и способов его обогрева. Лимит времени используется в качестве критерия при оценке свойств ремонтопригодности элементов систем, на основании чего принимается решение о целесообразности их резервирования. Для различных климатических условий строительства обосновываются требования к оперативности аварийно-восстановительного ремонта нерезервируемых элементов тепловых систем.

Приводится методика расчета коэффициента отпуска теплоты на отопление при переводе зданий на лимитированный режим теплоснабжения, а так же количественные зависимости этого коэффициента от климатических и других местных условий строительства. Сопоставительный анализ полученных значений коэффициента с рекомендуемыми СйиП 140 свидетельствует о завышении нормируемой величины теплоподачи во всем диапазоне рассмотренных в СНиП условий, особенно при диаметрах трубопроводов до 800 мм. Это обусловливает возможность экономии металла на транспортное резервирование тепловых сетей таких диаметров по оценосным данным в размере от 13 до 25%, что приведет к существенному уменьшению капитальных затрат на резервирование.

Проведенные исследования указывают на целесообразность (пи условиям обеспечения теплового режима) ограничения строительства крупных тепловых систем для теплоснабжения полносборных зданий массового строительства в районах с расчетной температурой наружного воздуха для проектирования отопления - 40°С и ниже, даже при открытом способе прокладки тепловых сетей.

При современном состоянии и техническом уровне систем теплоснабжения и отопления зданий массовой застройки управление режимом отпуска теплоты на отопление возможно, в основном, на двух уровнях - центральном и в тепловых пунктах (групповых или индивидуальных), При этом сохраняется принцип нормированного снабжения теплотой всех помещений и максимальный социальный эффект, на который можно рассчитывать, состоим в поддержании параметров тепловой среды в пределах» приемлемых для большинства людей. Выполнение этой задачи возможно при оптимальных для обеих ступеней управления, и согласованных принципов и методов регулирования отпуска теплоты на отопление. Их выбор основывается на учете системных связей и условий функционирования СО ТРЗ на разных этапах отопительного периода при соблюдении основных системных требований: принципа иерархии управления отпуском теплоты и сохранения гидравлической устойчивости тепловой системы.

Учитывая системные требования, виды основных внешних и внутренних возмущающих воздействий на тепловой режим зданий в разные периоды отопительного сезона (осенне-весенний, зимний и наиболее холодный зимний с экстремальным понижением температуры наружного воздуха), а так же характерные для этих периодов режимы теплоснабжения в закрытых системах (когда центральное качественное регулирование отпуска теплоты на отопление или по совместной с горячим водоснабжением нагрузке осуществляется только в диапазоне температур наружного воздуха, свойственных, в основном, зимнему периоду), конкретизированы задачи и определены соответствующие способы и принципы регулирования отпуска теплоты на отопление в тепловых пунктах. Эти задачи,(а соответственно и методы регулирования) упрощены по сравнению с требованиями, выдвигаемыми при локальной оптимизации управления режимом отопления. Однако они согласованы в общесистемном плане и поэтому отвечают условию эффективности функционирования СО ТРЗ в целом.

Практическая реализация этих предложений будет способствовать предотвращению использования неоправданно сложных и дорогих схем и средств авторегулирования, а, следовательно, сокращению затрат на автоматизацию тепловых пунктов. Это в частности подтверждает разработанное и апробированное в эксплуатационных условиях г.Москвы схемное решение количественного регулирования отпуска теплоты на отопление в ДТП при зависимом присоединении систем отопления жилых зданий. Подтвержденный экономический эффект за счет сокращения материальных и трудовых затрат, расхода электроэнергии составляет 2,8 тыс.руб. на I МВт расчетной отопительной нагрузки.

Таким образом в настоящей работе предпринята попытка рассмотрения и решения комплексной проблемы обеспечения теплового режима зданий с системных позиций на основе концепций эффективности сложной системы - СО ТРЗ. Концепция эффективности в значительной мере опирается на научные положения, связанные с выбором расчетных наружных условий для проектирования отопления с учетом обеспеченности внутренних условий и расчетом надежности тепловых сетей, которые разработаны проф. В.Н.Богословским и проф. А.А.Ионииым. Вместе с тем реализация концепции потребовала развития существующих норм и методов, используемых при исследовании и проектировании теплового режима, постановки и решения ряда новых задач.

Разработанные методики, результаты расчетов и полученные рекомендации позволяют дополнить и более четко увязать между собой требования норм строительного проектирования, придав им целевую направленность на обеспечение требуемого теплового режима, учитывая местные условия строительства и эксплуатации зданий и тепловых систем, рациональность капитальных вложений и последующих материальных и трудовых затрат.

Исследования отражают научную работу, начатую автором в МИСЙ им. В.В.Куйбышева еще в 1962 г. под руководством проф. В.Н.Богословского. Эта работа была продолжена с учетом обобщения опыта жилищного хозяйства г.Москвы, где автор работал длительное время. Основное содержание работы отражено в монографии "Тепловой режим зданий массовой застройки", изданной Стройиздатом в 1986 г., а так же в других научных публикациях. Результаты работы включены в раздел учебного пособия для специальности 2905 "Коммунальное строительство и хозяйство", а также используются в учебном процессе - лекциях, практических занятиях и при дипломном проектировании по специальности 1218 "Техническая эксплуатация и реконструкция зданий и инженерных систем".

Заключение диссертации по теме «Теплоснабжение, вентиляция, кондиционирование воздуха, газоснабжение и освещение», Кононович, Юрий Владимирович

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основе выполненных исследований получены следующие результаты в развитие теории и практики проектирования и организации! эксплуатации средств обеспечения теплового режима зданий массовой застройки городов в холодный период года.

1. Установлены методологические принципы выбора мер, направленных на обеспечение заданных тепловых условий, базирующиеся на исследовании формирования тепловых условий зданий массовой застройки, как сложной биотехнической системы массового обслуживания, и условий ее эффективности.

Выявлено свойство целостности системы - адаптивность, характеризующее функциональную тенденцию системы к автостабилизации тепловых условий при практически значимых отклонениях режима отопления, и обусловливающее требования к эффективности средств обеспечения тепловых условий зданий, как элементам единой системы.

2. Выявлены условия и следствия проявления механизмов адаптации, раскрывающие нацравленность мер по повышению эффективности функционирования системы:

2.1. Показано, что обеспечение тепловых условий средствами отопления, отвечая цели массового обслуживания, одновременно минимизирует возможные экономические ущербы, что определяет целесообразность принятия в качестве общего критерия эффективности системы выдерживание заданных тепловых условий.

2.2. Вследствие функциональной зависимости теплопотерь помещений от величины теплоподачи, температура внутреннего воздуха не может являться однозначным признаком качества отопления, что определяет целесообразность- программного управления отпуском теплоты на отопление зданий массовой застройки с учетом основных факторов, формулирующих теплоспрос.

2.3« Показано, что основными невзаимокомпенсируемыми качествами системы, нейтрализующими действие механизмов адаптации и обеспечивающими оптимальную для рассматриваемых условий эффективность ее функционирования, являются обеспеченность тепловой мощности, уровень надежности и режимная управляемость.

3. Выявлены признаки элементов системы, влияющие на эффективность ее функционирования при существующей структуре, в связи с чем на основе субоптимизации критериев эффективности определены требования к: уровням установочной тепловой мощности систем отопления и эксплуатационной мощности теплоисточника ; надежности систем снабжения теплотой, включая критерии необходимости ее повышения за счет резервирования; оперативности проведения аварийно-восстановительных ремонтов; методам управления отпуском теплоты на отопление в тепловых пунктах.

4. На основе изучения и интерпретации данных гигиенистов и собственных исследований предложены математические описания теплообмена человека с окружающей средой, устанавливающие взаимосвязь между изменениями температуры помещения и тепловыми состояниями человека при характерных для жилищ роде деятельности и утепленное ти одежды.

С их учетом регламентированы показатели заданных тепловых условий, определяющие границы диапазона основных эксплуатационных изменений температуры помещения, а также параметры допустимых редких понижений температуры, дифференцированные в зависимости от частоты события.

Разработан инженерный метод расчета взаимосвязи температур воздуха и ограждений, учитывающий совокупность факторов, определяющих конвективно-лучистый теплообмен в помещениях зданий массовой застройки, что позволяет оценить динамику температуры помещения при изменениях температуры воздуха.

5. Дано обоснование тому, что за расчетные условия для определения эффективностных мер, принимаются ситуации дефицита и избыточности теплоты, могущие вызвать отклонения температуры помещения за заданные пределы на разных этапах отопительного периода.

На основе оценки влияния на тепловые условия возможных единовременных воздействий, сформированы модели расчетных ситуаций, представляющие вероятностно-детерминированные показатели характеристик совокупности существенных воздействий.

Показано, что ситуации избыточности теплоты, определяющие выбор мер по управлению отопительной нагрузкой в тепловых пунктах, характеризуются существенной стохастической изменчивостью суточной теплопотребности на отопление и малым ее удельным весом в энергетическом балансе помещений. Выбор тепловой мощности отопления и мер по обеспечению надежности тепловых систем осуществляется в условиях длительного (до нескольких суток) дефицита теплоты, обусловленного соответственно изменениями температуры наружного воздуха при сильных похолоданиях и временем устранения аварий.

6. Предложены инженерные методы расчета нестационарного теплового режима помещений зданий массового строительства в ситуациях дефицита теплоты, базирующиеся на: выявленных эмпирических закономерностях изменения температурных условий при охлаждении (нагреве) помещения ; исследовании возможности упрощенного описания тепловых процессов в теплоемких наружных и внутренних ограждениях и отопительных устройствах, основанного на их представлении в виде непрерывного чередования стационарных состояний теплопередачи; а так же учете взаимосвязи температур воздуха и ограждений при формулировании начальных условий, определяющих энтальпию ограждений и величину скачкообразного изменения температуры воздуха.

Допустимость принятых упрощающих предпосылок и достаточная точность предложенного метода подтверждены сопоставлением резулътатов расчета с данными расчета теплового режима помещения на ЭВМ, опубликованными в печати, и результатами проведенных натурных испытаний.

7. Предложен инженерный метод решения задачи определения £н для расчета тепловой мощности отопления с учетом выдерживания заданных тепловых условий в помещениях цри изменении температуры наружного воздуха в период похолодания.

Расчетными исследованиями выявлены особенности зимнего теплового состояния помещений зданий массового строительства на примере 19 пунктов, расположенных в климатических районах 1А, ХВ, ПВ, ША, ШВ. Показано, что при тепловой мощности отопления, рассчитанной при средней температуре пятидневки обеспеченностью 0,92, в этот период возможно понижение ^ на 2.5°С, что корреспондируется с данными исследований, положенными в основу рекомендаций СНиП, и соответствует допустимым тепловым условиям. При более суровых похолоданиях с вероятностью которых нельзя не считаться, такие понижения для разных пунктов возможны на 4.Ю°С, вследствие отличий минимальной температуры от в расчетный период на 6.17°С. Таким образом для ряда пунктов внутренние условия окажутся недопустимыми.

Показано, что для обеспечения заданных тепловых условий (с вероятностью 0,98), принимаемая ныне ^р для проектирования отопления должна быть дифференцирована с учетом климатических особенностей пункта строительства. Для рассмотренных пунктов установлено, что в наиболее суровых районах она может быть повышена на 3.5°С, а для отдельных пунктов других районов - повышена на 1.3°С, понижена на 1.2°С или сохранена на существующем уровне (как, например, в Москве).

8. Показана необходимость дифференцированного подхода к ограничению величины допустимого снижения эксплуатационной тепловой мощности источника отопления при его подготовке к прохождению зимнего периода, исключающего риск теплового отказа в использовании помещений по их назначению. Предложена методика расчета, обосновывающая нормирование этого показателя.

На примере нескольких крупных городов показано, что в зависимости от климатических условий, такие ограничения составляют до: Ъ% (в Москве, Твери, Новгороде), 10% (Курске, Пензе), 15% (Челябинске, Иркутске, Уфе).

9. Предложены инженерные методы решения задач, служащих обоснованием определения показателей надежности проектирования систем теплоснабжения:

9.1. Показано, что критерием резервирования элемента системы, отказ которого сопровождается прекращением теплоподачи, является превышение среднего времени лимита , определенного с учетом допустимого отклонения . Определена зависимость Ид от климатических условий строительства, теплоустойчивости' представительного помещения здания и способа его обогрева.

Полученные данные в основном корреспондируются с рекомендациями СНиП по резервированию тепловых сетей для условий минимальной теплозащиты зданий и безинерционных приборов отопления. При экономически целесообразном повышении уровня теплозащиты зданий или применении теплоемких греющих панелей диаметры труб, требующие резервирования существенно увеличиваются.

Показана неправомерность отказа в СНиП от резервирования труб тепловых сетей надземной прокладки в районах с = 40°С и ниже, где она необходима при (I = 0,4.0,5 м и более.

9.2. Величина резервной теплоподачи для обеспечения заданных тепловых условий оказывается существенно меньше, рекомендуемой СНиП для труб (I ^ 1,0 м даже при минимально! теплозашите зданий, обогреваемых безынерционными нагревательными приборами. Оценочным расчетом показано, что при этом перерасход металла на обеспечение транспортного резерва наиболее применяемых труб ¿{^ 0,8 м составляет от 13 до 2Ъ%.

Показано, также, что при = -40°С и ниже вследствие необходимости резервирования труб тепловых сетей (I ^ 0,4 м при любом способе их прокладки, во избежание существенных дополнительных затрат целесообразно ограничение единичной мощности теплоисточника до ^ 50 МВт и др.

10. Определены требования к оперативности аварийно-восстановительного ремонта объектов теплового хозяйства в зависимости от расчетных и текущих наружных условий отопительного периода. Показано, что для пунктов с tцf> = ~20°0 и выше эти требования практически не изменяются во всем диапазоне отрицательных температур, а в пунктах с более суровыми расчетными условиями лимит времени на восстановительный ремонт в наиболее холодный зимний период сокращается в 2-3 раза по сравнению с допустимым при нулевой температуре.

11. На основе анализа и обобщения существующих представлений и комплексного учета: признаков теплового дисбаланса помещений на разных этапах отопительного периода, принципа иерархии управления и условий гидравлической устойчивости тепловой системы, возможности создания практически равноценных тепловых условий при разных способах регулирования теплоподачи, уточнены задачи и сформулированы требования к рациональным методам регулирования отпуск? теплоты на отопление зданий массовой застройки в ГТП или МТП (при отсутствии РТП).

При неизменности принципа непревышения расчетного расхода первичного теплоносителя необходимость в таком регулировании возникает при первом и третьем режимах, теплоснабжения. Расчетными и экспериментальными исследованиями показано, что в периоды экстремального понижения целесообразна передача тепловой нагрузки СГВ на отопление посредством отключения обеих ступеней соответствующих ВВП или, если это не усугубляет дефицит топлива, путем перевода ВВП на работу по "завключенной" схеме.

Существующие схемы регулирования зависимо присоединенных систем отопления (составляющих более 80%) основаны на сохранении расхода вторичного теплоносителя, требуя дополнительных затрат на оборцдоывник, элкутроэнергию и обслуживание. С целью их сокращения по заданию ПО "Мосинжремонт" разработано альтернативное решение, основанное на методе двухступенчатого количественного регулирования отопительной нагрузки по заданной температуре воды, возвращаемой в ГТП из систем отопления, в зависимости от инерционного датчика наружных условий. Дано теоретическое обоснование хтому метода. Соответствующее схемное решение прошло стадию; опытного внедрения в эксплуатируемых ГТП г.Москвы, результаты которого подтвердили теоретические предпосылки и эффективность этого метода, который рекомендован к внедрению.

12. В перспективе при переводе вновь строящихся и капитально ремонтируемых зданий массовой застройки на условия обогрева "по потребности с оплатой фактически израсходованной тепловой энергии" актуальность рассмотренных вопросов обеспеченности тепловой мощности отопления и обоснования выбора структуры надежных тепловых систем полностью сохраняется.

Список литературы диссертационного исследования доктор технических наук Кононович, Юрий Владимирович, 1991 год

1. АБАКУМОВА Г.М., ГАРАДЖА М.П., ЕВНЕВИЧ Т.В. и др.

2. АГНИВЦЕВ А .А., ДЕГТЯРЕВ В.Ф., КОРЗИН О.А.3. АЛЕКСЕЕВА Т.И.4. АНАНЬЕВ А.й.

3. АНАПОЛЬСКАЯ Л.Е., ГАНДИН Л.С.6. АРИЕВИЧ Э.М., ВАВУЛО Н.М.7. БАГДОНАС А.8. БАНХИДИ Л.9. БАНХИДИ Л.10. БАРТОН А., ЭДХОЛМ 0.11. БЕКЕТОВ А.И.

4. Роль антропогенных факторов в формировании климата города, возможные экологические последствия. Тр. 2-го междунар.симпозиума по строительной климатологии. -М.: Стройиздат, 1987, с.172-177.

5. Влияние архитектурно-пространственного решения застройки на инсоляционный и ветровой режим внутриквартального пространства. Тр. 2-го междунар. симпозиума по строит, климатологии. М. ; Стройиздат, 1987, с.165-171.

6. Региональные особенности градостроительства в Сибири и на Севере. Л.: Стройиздат, 1987. - 208 с.

7. Теплоустойчивость наружных ограждающих конструкций при резком понижении темпера

8. Жы наружного воздуха. Сб.научных трудов им. К.Д.Памфилова, ОНТИ, 1968, вып.62.

9. Метеорологические факторы теплового режима зданий. Л.: Гидрометеоиздат, 1973. -223 с.

10. Повышение теплотехнических качеств полносборных жилых зданий. М.: Стройиздат, 1985. - 192 с.

11. Привыкание. Общаяхарактеристика и привыкание в простых системах. Вильнюсский гос-^ниверситет (уч.пособие). Вильнюс, 1982.

12. Связь расчета закрытых помещений на тепловой комфорт с вопросами энергохозяйства. Тр. междунар. симпозиума по строительной климатологии. 4.1., М., ВНИИС Госстроя СССР, 1982. с.297-308.

13. Тепловой микроклимат помещений. Расчет комфортных параметров по теплоощущениям человека. Пер. с венг. М.: Стройиздат, 1981. - 248 с.

14. Человек в условиях холода. Пер. с англ.-М.: Изд-во иностр. лит., 1957.

15. БОГОСЛОВСКИЙ В.Н., ПОЗ М.Я.

16. Г9. БОГОСЛОВСКИЙ В.Н., КУВШИНОВ Ю.Я., МАЛЯВИНА Е.Г.

17. БОГОСЛОВСКИЙ В.Н., СЛАВИН В.К., МАТРОСОВ Ю.А., БУТОВСКИЙ И.Н., ГАГАРИН В.Г.

18. БОГУСЛАВСКИЙ Л.Д., СИМОНОВА A.A., МЙТЙН М.Ф.22. БОГУСЛАВСКИЙ Л.Д.23. БРАЙНИНА Е.Ю.

19. БРАТЕНКОВ В.Н., ХАВАНОВ П.А., ВЖЖЕР Л.Я.

20. Расчет систем солнечного теплоснабжения. Пер. с англ. М.: Энергоиздат, 1982, -80 с.

21. Движение атмосферного воздуха, обтекающего здания. Штадт унд Гебойдетехник, 1980, № 6, с.21-25.

22. Строительное производство в условиях Севера. Л.: Стройиздат, 1982. - 183 с.

23. Тепловой режим зданий. М.: Стройиздат, 1979. - 248 с.

24. Строительная теплофизика. М.: Высшая школа, 1982. - 415 с.

25. Вероятностно-статистический метод и перспективы комплексной оптимизации СКМ. Водоснабжение и санитарная техника, 1981, № 6, с.29-30.

26. Теплофизика аппаратов утилизации тепла систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха. М.: Стройиздат, 1983.-320 с.

27. Климатологическое обеспечение проектирования и эксплуатации: зданий с эффективным использованием энергии. /Тр.международного симпозиума "Строительная климатология"/.-М., 1982, с.45-61.

28. Проблемы развития строительной физикж на современном этапе. Журнал Всесоюзной ассоциации инженеров САВСК). М., 1990, № I, с.15-19.

29. Экономика теплогазоснабжения и вентиляции.-М.: Стройиздат, 1988. 351 с.

30. Снижение расхода энергии при работе систем отопления и вентиляции. М.: Стройиздат, 1985. - 336 с.

31. Данные для расчета аккумулирующей способности здании методом регулярного режима, Сб.трудов НИИ по строительству. М.: Госстройиздат, 1960.

32. Теплоснабжение малых населенных пунктов.-М.: Стройиздат, 1988. 224 с.25