Комбинированная электрическая система отопления для каркасных домов

Принцип каркасного домостроения был изобретен достаточно давно. У тюркских и монгольских народов технология каркасного домостроения реализована в виде юрт; в советские времена данная технология применялась для изготовления дачных домиков, быстровозводимых сооружений в сельской местности и при производстве строительных работ; в 1990-е гг. по этому типу строились торговые павильоны. В последние годы интерес к каркасному домостроению значительно вырос, что обусловлено появлением на рынке новых технологий и строительных материалов. В настоящее время по данной технологии строятся промышленные и административные помещения, жилые дома, поселки городского типа. При строительстве малоэтажного жилья можно заказать индивидуальный проект и все элементы возводимой конструкции, которые с помощью специального программного обеспечения и оборудования будут изготовлены в короткие сроки и с высокой точностью [1]. При этом если покупатель имеет минимальные строительные навыки, то он сам может «собрать» свой дом, следуя рекомендациям проектной документации.

Одним из обязательных условий надежности и долговечности каркасно- го сооружения является наличие постоянной вентиляции, что не обязательно для других конструкций [2]. Данное требование обусловлено стационарными воздушно-тепловыми потоками по всему объему помещения, которые приходят в дисбаланс при любом внешнем воздействии (открывании входной двери, резком изменении внешних метеорологических условий и др.) [3]. Кроме этого, отсутствие в таких сооружениях массивных конструкций с большой теплоемкостью делает их безынерционными и неустойчивыми при колебаниях внешней температуры с точки зрения сохранения тепла. Отсутствие инерционности также затрудняет создание равномерного теплового поля, а в случае его реализации требуются значительные энергетические затраты. Во время эксплуатации происходят изменения теплотехнических характеристик, что в основном связано с нарушением стыковых соединений, «проседанием» наполнителя.

Рациональная и эффективная система отопления в таких сооружениях играет большую роль в обеспечении комфортных условий [4].

Решив задачу эффективного обогрева каркасных сооружений, можно расширить сферу их применения, уменьшить затраты на жизнеобеспечение, а также снизить экологическую нагрузку в местах их использования.

Обзор литературы

На внутренние климатические условия в зданиях каркасного типа в основном влияют 2 фактора: теплоизоляционные свойства ограждающих конструкций и отсутствие конструкций с большой теплоемкостью. Анализ литературных данных показал, что основные научные исследования связаны с теплоизоляционными свойствами ограждающих конструкций в области вентиляции и систем обогрева с аккумулирующими установками.

По мнению многих экспертов, Российская Федерация обладает гигантским потенциалом энергосбережения – > 40 % от общего энергопотребления [5].

Основным направлением исследований в области энергосбережения является оптимизация ограждающих конструкций каркасного сооружения; множество работ посвящено основным архитектурно-планировочным, объемно-пространственным и конструктивным решениям, которые направленны на энергосбережение и обеспечение энергетической эффективности каркасных зданий. В работах приведены определяющие факторы для обеспечения низкого уровня потребляемой в зданиях тепловой энергии на отопление: высокий уровень теплоизоляции наружных ограждающих конструкций (стен, окон, покрытий и др.), герметичность наружной оболочки здания и его компактности [6–14].

Система вентиляции в зданиях каркасного типа влияет не только на параметры микроклимата, но и является одним из основных источников энергетических затрат. Затраты на вентиляцию в современных зданиях составляют 40–50 % всех затрат на отопление. Имеются публикации, в которых рассматриваются различные энергоэффективные системы вентиляции, анализируются их достоинства и недостатки [15–18]. В ряде статей приводится поиск различных решений энергосбережения и снижения энергетических затрат при помощи применения энергоэффективных систем вентиляций.

Воздухообмен в помещениях – один из наиболее важных факторов, обеспечивающих оптимальный микроклимат в помещении. С его помощью происходит удаление внутренних загрязнений, бактерий, излишней влажности и поддерживается оптимальное соотношение концентрации кислорода и углекислого газа. Этот процесс является энергозатратным, поэтому крайне актуален вопрос создания вентиляционных систем с рекуперацией тепла и влаги [19–21].

Ограждающие конструкции и система вентиляции оказывают существенное влияние на параметры микроклимата в помещении, которые необходимо учитывать при проектировании системы отопления. В основном в зданиях каркасного типа используется индивидуальное теплоснабжение, которое имеет ряд преимуществ для потребителей, строительных и эксплуатирующих организаций [22]. Основные способы рационального использования тепловой энергии представлены в работах Д. Н. Ватузова, С. М. Пуринга и Е. Б. Филатова [23], а также Y. Cheng, J. Nin, N. Gao [24]. Авторы подчеркивают необходимость дальнейших комплексных исследований в данном направлении.

Особый интерес представляет работа Ю. М. Мацеватого [25]. Совместно с соавторами им был сделан вывод об отсутствии комплексной оценки энергетической и экономической эффективности различных систем электротеплоак-кумуляционного отопления; также был проведен сравнительный анализ параметров этих систем и параметров традиционных систем водяного отопления. В данной статье дается оценка целесообразности применения электрических тепловых аккумуляторов различного типа для повышения энергетической эффективности систем теплоснабжения гражданских зданий. Приводятся результаты расчета энергетической эффективности различных видов систем электротеплоаккумуляционного отопления; описываются преимущества данных систем отопления по сравнению с традиционной водяной, а также дости-

MORDOVIA UNIVERSITY BULLETIN гаемая экономическая эффективность и сроки окупаемости систем. Детально рассматривается проблема каркасных сооружений, возникающая из-за отсутствия в таких сооружениях массивных конструкций; приводятся способы решения данной проблемы.

В. Ю. Карницкий и В. С. Ушников [26] рассматривают решение данной проблемы с помощью инфракрасного отопления. В их работе показана прямо пропорциональная зависимость теплозащиты здания и энергии, которая тратится на поддержание требуемых параметров микроклимата. Использование инфракрасных обогревателей значительно уменьшает расходы на обогрев и помогает сэкономить > 45 % электроэнергии по сравнению с другими системами отопления. Таким образом, стоимость оборудования, монтажа и эксплуатации инфракрасного отопления почти в 2,5 раза дешевле, чем в случае использования водяного отопления.

Следует отметить, что мнения других авторов расходятся относительно оптимальной доли лучистой теплоотдачи: некоторые из них утверждают, что следует обеспечивать максимальную теплоотдачу нагревательных устройств излучением1–2. Им противопоставляется точка зрения ученых, предпочитающих применение панелей с долей лучистой теплоотдачи порядка 60–70 %3–4.

Материалы и методы

Рассмотрим 2 классических события, при которых происходит изменение параметров микроклимата в каркасных помещениях.

• ¹    Инфракрасное отопление [Электронный ресурс]. URL: http://www. otopimdom.ru/index. php?id=394 (дата обращения: 07.11.2016).

• ²    Инфракрасное излучение и его влияние на человека [Электронный ресурс]. URL: http:// otravleniya.net/izluchenie/infrakrasnoe-izluchenie-vliyanie-na-cheloveka.html (дата обращения: 07.11.2016).

• ³    Все об инфракрасных обогревателях для дачи [Электронный ресурс]. URL: http://oblagorod.ru/ obogrev/infrakrasnye-obogrevateli-s-termoregulyatorom-dlya-dachi.html#i-11 (дата обращения: 07.11.2016).

• ⁴    Экономический эффект от применения инфракрасных обогревателей: расчет затрат [Электронный ресурс]. URL: http://www.teplo.ufakit.ru/?partid =56 (дата обращения: 07.11.2016).

• 1 . При эксплуатации помещения через дверной проем поступают холодные потоки воздуха; первоначально – в центр помещения, после чего постепенно распространяются по всему объему в направлении ограждающих конструкций.

• 2 . При изменении внешних метеорологических условий процесс идет в обратном направлении, от ограждающих конструкций в центр помещения.

С помощью одного отопительного прибора добиться равномерного нагрева практически невозможно. При установке нескольких отопительных приборов ситуация улучшается, но из-за их инерционности равномерный нагрев помещения происходит со значительным перерасходом энергии и за большой промежуток времени.

Алгоритм восстановления параметров микроклимата не зависит от факторов, влияющих на общую температуру помещения. Изменение температуры в одной части помещения неизбежно приводит к аналогичному изменению в другой его части через определенный промежуток времени, при этом работа одного отопительного прибора никак не зависит от работы другого. Именно поэтому перед тем как в помещении по всему объему станет «тепло», предварительно неизбежно состояние «жарко». Особенно ярко это выражено в помещениях малого объема с недостаточными теплоизоляционными свойствами ограждающих конструкций, к которым относятся малые каркасные сооружения5.

Целью нашей работы является исследование параметров комбинирован- ной электрической системы обогрева при взаимном влиянии двух нагревательных приборов, изготовленных на основе нагревательных элементов с положительным коэффициентом термического сопротивления. При этом необходимо оценить снижение тепловых потерь и скорость восстановления параметров микроклимата за счет обеспечения саморегулирования и взаимного регулирования.

Было рассмотрено 2 основных сценария изменения параметров микроклимата, возникающих из-за холодных потоков воздуха, который поступает в помещение через дверной проем, и из-за понижения температуры ограждающих конструкций. В процессе исследования использовались две панели с инфракрасным нагревательным элементом с положительным коэффициентом термического сопротивления6–7, которые подключаются в электрическую сеть последовательно. Одна нагревательная панель была установлена на внутренней стене между комнатами, другая – на внешней, рядом с оконным проемом.

В стационарном режиме, когда количество холодных потоков воздуха постоянно, в зависимости от температуры воздуха изменяется температура на теплопередающей поверхности нагревательных панелей и, следовательно, их мощность. При понижении температуры электрическое сопротивление резистивного слоя уменьшается, а выделяемая мощность, соответственно, увеличивается. При повышении температуры ситуация обратная. Процесс длится до момента равновесия (стационарного состояния), когда на

• ⁵    Патент 2016149900 (РФ). Нагревательный прибор для комбинированной системы обогрева помещений с низкой теплоизоляцией / И. Ю. Шелехов, И. В. Шелехова, М. И. Шелехов, Е. И. Смирнов, В. П. Иноземцев, К. П. Кашко. Опубл. 16.12.2016. Патентообладатель ООО «Тер-мостат+». URL: http://www1.fips.ru/fips_servl/fips_servlet

• ⁶    Патент на полезную модель 109628 (РФ). Нагревательный элемент, патент на полезную модель / И. Ю. Шелехов, И. В. Шелехова, Н. А. Иванов, Kim Byoung Chul, И. М. Головных. URL: http://www1.fips.ru/fips_servl/fips_servlet

• ⁷    Патент на изобретение 2463748 (РФ). Способ изготовления толстопленочного резистивного нагревателя, патент на изобретение / И. Ю. Шелехов, И. В. Шелехова, Н. А. Иванов, И. М. Головных, Ким Бьянг Чул. Опубл. 10.08.2012. URL: http://www1.fips.ru/fips_servl/fips_servlet

нагревательных панелях установится выделяемая мощность, при которой изменение температуры в помещении не происходит.

При возникновении не стационарного режима (в период времени, когда в помещении открывается дверь) холодные потоки воздуха движутся вдоль внутренних стен, постепенно распространяясь по всему объему помещения в направлении ограждающих конструкций (внешних стен). При этом понижается температура на теплопередающей поверхности панели, установленной на внутренней стене, происходит уменьшение электрического сопротивления, а поскольку панели соединены последовательно, то увеличивается напряжение, поступающее на панель на внешней стене. Фактически, нагревательная панель, которая находится в зоне понижения температуры, управляет выделяемой мощностью панели, к которой движутся холодные потоки воздуха. При этом снижается инерционность системы и осуществляется пропорциональное регулирование, поскольку изменение электрического сопротивления пропорционально изменениям температуры воздуха. При понижении или увеличении внешней температуры, усилении или ослаблении ветра процесс идет в обратном направлении. Нагревательная панель, установленная на внешней стене, управляет работой панели, установленной на внутренней стене, увеличивая или уменьшая напряжение на ней.

Комфортное состояние человека в обогреваемом помещении зависит от многих факторов: температуры воздуха, его скорости движения и влажности; радиационной температуры от окружающих предметов, в т. ч. отопительных приборов и ограждающих конструкций; состояния, в котором че-

MORDOVIA UNIVERSITY BULLETIN ловек находится. Комфорт достигается при достижении общего теплового (энергетического) баланса между человеком и окружающей средой.

Эксперименты проводились в индивидуальном жилом доме общей площадью 80 м2, который был построен в 2013 г. по программе «Доступное жилье», в соответствии с проектной документацией. Системы жизнеобеспечения, в т. ч. отопление, были рассчитаны по нормам и методикам, которые подробно описаны в учебнике В. Н. Богословского8. Дом состоит из коридора, гостиной, кухни, двух спальных комнат, туалета и ванной. Оборудование для проведения экспериментов было установлено в гостиной (общая площадь – 24 м2; две стены внутренние, две внешние). На одной из внешних стен имеется окно размерами 1,4х3,0 м2 и стационарное электрическое отопление общей мощностью 2,5 кВт (отопительные приборы конвекционного типа, производства РФ; регулирование выделяемой мощности в отопительных приборах осуществляется позиционными биметаллическими регуляторами).

Через равные промежутки площади помещения были попарно установлены термоэлектрические датчики температуры для фиксации температуры воздуха и радиационного излучения соответственно. Сигналы с датчиков поступали на приборы фирмы «ОВЕН» марки ТРМ138 с помощью штатного программного обеспечения, поставляемого совместно с приборами (Owen Process Manager) и предназначенного для регистрации и отображения данных, а также для их обработки и анализа. Данные аппроксимировались, полученные графики распределения температурных полей импортировались в программу MS Excel. Учет потребленной энергии фиксировался электросчетчиком СЕ 101 («Энергомера»).

При обработке данных учитывалось, что целенаправленное использование лучевого теплообмена позволяет снизить температуру окружающего воздуха без нарушений условий теплового комфорта9 [27–28], а также тот факт, что действие лучистого тепла в определенных пределах может оказывать на организм благоприятное влияние [29].

Результаты исследования

В связи с тем что абсолютно одинаковые погодные условия устанавливаются достаточно редко, эксперименты со штатным стационарным отоплением проводились несколько дней подряд. После этого были выбраны результаты, полученные при схожих погодных условиях, что и во время экспериментов с инфракрасным панелями. На рис. 1 показано распределение температурных полей при конвекционном типе отопления в 7:00 при внешней температуре –17 оС. Из представленного графика видно, что благоприятная для человека температура установилась только на 20 % площади. Видно, что конвекционный поток от обогревателя распространялся по помещению, но не охватывал зону около «холодной» стены, где температура опустилась ниже всех существующих норм.

Р и с. 1. Распределение температурного поля по помещению при конвекционном типе отопления в 7:00 F i g. 1. Distribution of temperature field in room with convective type of heating at 7 АМ

На рис. 2 показано распределение температурных полей в 10:00 при внешней температуре –15 оС. Из графика видно, что благоприятная для человека температура распространилась на 50 % площади. Однако при этом, несмотря на то что на половине помещения температура практически идеальна, видно, что конвекционный поток от обогревателя не охватывает зону около «холодной» стены. Температура в помещении установилась через 1 ч 57 мин и в дальнейшем практически не менялась. За 3 ч потребление электрической энергии составило 6,48 кВт.

Р и с. 2. Распределение температурного поля по помещению при конвекционном типе отопления в 10:00

F i g. 2. Distribution of temperature field in room with convective type of heating at 10 АМ

Как было отмечено выше, одним из основных требований при строительстве каркасных сооружений является наличие вентиляции. При эксплуатации помещения возникают факторы, которые нарушают параметры микроклимата, изменяя движение воздушных потоков. Одним из таких факторов является поступление холодных воздушных потоков через дверной проем. В ходе эксперимента входная дверь открывалась на 5 мин – доста- точное время для того, чтобы войти в помещение или выйти из него.

На рис. 3 показано распределение температурных полей через 15 мин после дополнительного притока холодного воздуха. При этом зона неблагоприятной температуры уменьшилась более чем в 2 раза, причем неблагоприятное изменение температуры в остальной части помещения произошло только в неотапливаемых зонах.

Р и с. 3. Распределение температурного поля по помещению при конвекционном типе отопления через 15 мин после дополнительного притока холодного воздуха

F i g. 3. Distribution of temperature field in room with convective type of heating 15 minutes after additional inflow of cold air

На рис. 4 показано распределение температурных полей при конвекционном типе отопления через 1 ч; видно, что зоны с неблагоприятной температурой в помещении исчезли. Данный факт объясняется тем, что при постоянной работе обогревателей рассматриваемого типа конвекционный поток от обогревателя встраивается в общее движение воздушных потоков, создаваемых вентиляцией, что не всегда благоприятно сказывается на микроклимате.

В период низких температур приборы работают постоянно и распределение температуры по помещению происходит по пути движения воздушных потоков. Аналогичный результат был получен при принудительном выключении обогревателей на непродолжительный промежуток времени, что также доказывает правильность нашего предположения.

Были проведены аналогичные испытания, где в качестве обогревателей использовались панели с инфракрасными нагревательными элементами с положительным коэффициентом термического сопротивления аналогичной мощности. На рис. 5 показано распределение температурных полей при са-морегуляционном радиационном типе отопления в 7:00 при внешней температуре –18 оС. Из представленного графика видно, что благоприятная для человека температура установилась на 60 % площади. Также видно, что рядом с «холодной» стеной присутствуют зоны неблагоприятных температур, но их площадь намного меньше, чем при конвективном обогреве, а величина – в 2 раза выше.

Р и с. 4. Распределение температурного поля по помещению при конвекционном типе отопления через 1 ч после дополнительного притока холодного воздуха

F i g. 4. Distribution of temperature field in room with convective type of heating 1 hour after additional inflow of cold air

Р и с. 5. Распределение температурного поля по помещению при саморегулируемом радиационном типе отопления в 7:00

F i g. 5. Distribution of temperature field around the room during self-regulated radiation type heating at 7 АМ

Physics and mathematics                                                               207

На рис. 6 показано распределение температурных полей в 10:00 при внешней температуре –15 оС. Из графика видно, что благоприятная для человека температура распространилась практически по всей площади помещения, кроме узких зон у стены справа и слева от окна. Данный факт объясняется отсутствием внешних воздушных потоков, которые мешают естественному распределению температуры. Температура в помещении установилась через 1 ч 3 мин и в дальнейшем практически не изменялась. За 3 ч потребление электрической энергии составило 5,04 кВт.

Р и с. 6. Распределение температурного поля по помещению при саморегулируемом радиационном типе отопления в 10:00

F i g. 6. The distribution of temperature field around the room during self-regulated radiation type of heater at 10 АМ

На рис. 7 показано распределение температурных полей через 15 мин после дополнительного притока холодного воздуха. Диапазон неблагоприятных температур увеличился в основном в неотапливаемых зонах и в зонах расположения металлических стоек, служащих для установки датчиков температуры.

На рис. 8 показано распределение температурных полей через 1 ч; на графике безошибочно определяются места установки металлических стоек. Кроме этих точечных зон, где температура ниже приблизительно на 1о С, температура в помещении приобрела исходное значение.

Р и с. 7. Распределение температурного поля по помещению при саморегулируемом радиационном типе отопления через 15 мин после дополнительного притока холодного воздуха

^

F i g. 7. The distribution of temperature field around the room in self-regulating the radiation type of heating 15 minutes after additional inflow of cold air

Р и с. 8. Распределение температурного поля по помещению при саморегулируемом радиационном типе отопления через 1 ч после дополнительного притока холодного воздуха

F i g. 8. The distribution of temperature field around the room in self-regulating the radiation type of heating 1 hour after additional inflow of cold air

Physics and mathematics                                                               209

Обсуждение и заключения

Новые способы отопления с помощью саморегулируемых нагревательных элементов помогают снизить затраты при строительстве и эксплуатации каркасных сооружений и создать комфортный микроклимат.

Отопительные приборы c само- и вза-иморегулированием уменьшают время выхода помещения на стационарный режим. При этом снижается инерционность системы отопления, происходит быстрое восстановление микроклимата, уменьша ются энергетические и тепловые затраты.

URL: http://www.allbeton.ru/upload/mediawiki/2aa/energoeffektivnye-tekhnologii-v-ograzhdayushchikh-konstruktsiyakh-_nemova_.pdf

Поступила 21.03.2017; принята к публикации 26.04.2017; опубликована онлайн 14.06.2017

Об авторах:

Все авторы прочитали и одобрили окончательный вариант рукописи.

S ubmitted 21.03.2017; revised 26.04.2017; published online 14.06.2017

About the authors:

All authors have read and approved the final version of the manuscript.