Е. Л. Палей, член отделения Научно-экспертного совета по СЗФО при Рабочей группе Совета Федерации РФ по мониторингу реализации законодательства в области энергетики, энергосбережения и повышения энергетической эффективности, руководитель ООО «ПКБ «Теплоэнергетика»
Современные нормативно-правовая и нормативно-техническая базы, регламентирующие строительную отрасль в целом и проектную в частности, находятся в непростой ситуации. С одной стороны, разрабатываемые новые нормативы отражают сегодняшнее положение дел в отрасли, с другой — они зачастую противоречат уже существующим нормам, не потерявшим своей актуальности и сейчас. Как же работать в такой ситуации?
Для того чтобы ответить на этот судьбоносный вопрос, а также провести краткий анализ нормативно-технических и правовых документов в области теплогазоснабжения, автор статьи проштудировал целый ряд нормативов (см. врезку № 1), делая при этом акцент только на вопросы, связанные с проектированием и строительством тепловых сетей, котельных и систем газопотребления. Но обо всем по порядку.
Вчера
Для понимания сути проблемы сделаем маленький экскурс в историю, хотя бы на десять лет назад, в 2006 год. Тогда, например, действует как обязательный нормативный документ СНиП II-35-76 с изм. 1 «Котельные установки», который устанавливает требования к проектированию: отдельно стоящих котельных и интегрированных в здания (встроенные, пристроенные и крышные котельные).
Одновременно с ним, как рекомендательный документ, действует новый СП 41-104-2000, который не противоречит обязательному документу.
В свою очередь проектирование тепловых сетей осуществляется по обязательному СНиП 41-02-2003, а проектирование газовых сетей осуществляется по обязательному СНиП 42-01-2002.
При этом, наряду с обязательными СНиП, действуют, дополняя и не противореча основному документу, различные СП 42-101, СП42-103 и т. д., а над всеми названными документами главенствуют Правила строительства и безопасной эксплуатации Ростехнадзора по различным направлениям (ПБ 12-529-03 — по газу, ПБ 10-573, 574, 576-03 — по котлонадзору), которые взаимоувязаны между собой и регламентируют проектирование, строительство и эксплуатацию.
В том же 2006 году вся проектная документация разделена на три основные стадии:
— технико-экономическое обоснование (ТЭО), в котором рассматривают несколько вариантов схемы теплоснабжения, дают основные технико-экономические показатели, включая стоимость строительства;
— проектная документация (П), в которой более подробно, чем в ТЭО, освещены вопросы проектирования объекта и даны сметы по укрупненным показателям (данная документация проходит государственную экспертизу);
— рабочая документация (Р), в которой даны подробные технические решения, необходимые для строительства и подробные сметы (важно! Все согласования ведомств и служб, выдавших ТУ, включая экспертизу промышленной безопасности, проводятся только на данной стадии).
Для ускорения сроков строительства в те времена применялось совмещение стадий, создавался т. н. «Рабочий проект», объем и состав проектной документации на стадиях «П, Р, РП» регламентировался СНиП 11-01-95 и никакого разделения на объекты «капитального строительства» и другие объекты в нормах не было.
И сегодня
В обновленном Градостроительном кодексе РФ (гл. 6) говорится непосредственно о проектировании, строительстве и реконструкции «Объектов капитального строительства», а Постановлением Правительства РФ № 87 от 16.02.2008 были введены новые требования по оформлению и содержанию проектной документации в отношении отдельных этапов строительства, реконструкции и капитального ремонта объектов капитального строительства. Причем надо помнить, что письмо МинРегионРазвития РФ об отмене действовавших СНиП 11-01-95 и СНиП 11-101-95 появилось только 8.08.2008 года (19512-СМ/08).
Однако лучше поздно, чем никогда, как в случае с требованиями к содержанию и составу Рабочей документации и требованиями по оформлению и содержанию проектной документации на объекты технического перевооружения, и, что не менее важно, на ликвидацию опасных производственных объектов, которых как не было, так и нет.
Возвращаясь к Постановлению № 87, отмечу, что новым здесь следует считать расширение требований по включению в состав проектной документации расширенной информации, не связанной с техническими решениями.
В частности, теперь для подключения отдельного объекта (жилого дома в деревне или многоквартирной высотки в городе) необходимо представить не только план, профиль и сечения инженерных трасс, но и разработать мероприятия по защите флоры и фауны, разработать решения по доступу маломобильных групп населения и решить вопрос обеспечения пожарной безопасности тепловой сети или сетей водопровода с канализацией.
Также в числе новелл — появление термина «Линейный объект». Правда, четкого указания, какие инженерные сети относятся к линейным объектам, нет, но из п. 36, раздела 3 пп. «Т», можно предположить, что данный раздел необходимо разрабатывать при проектировании магистральных инженерных сетей. Однако это только предположение автора.
А МинРегионРазвития РФ письмом № 13137-ИП/08 от 20.05.2011 предположило, что сети, не выходящие за пределы квартала, микрорайона и проектируемые вместе с неким объектом в данном квартале, микрорайоне, можно отнести к разделу 5 «Сведения об инженерном оборудовании, о сетях инженерно-технического обеспечения…», однако тут же дополнило, что если же сети проектируются отдельно от объекта или они идут к двум объектам, то тогда, они являются линейным объектом.
Такие требования не только не уменьшают нагрузку на бизнес, но и повышают его коррупционную составляющую. И если к этому добавить понимание, сколько макулатуры, не относящейся к строительству, нужно выпустить (а это в масштабах страны минимум 50 т, или 12 000 деревьев), то к вышеизложенному добавится ущерб лесным массивам, сопоставимый со стихийными бедствиями в виде лесных пожаров и удар по экологии.
Объем требований должен быть достаточным для принятия решения о возможности строительства при условии не нанесения вреда природе и обеспечения безопасной эксплуатации построенных объектов.
Данный документ должен быть переработан специалистами, должен пройти широкое обсуждение в инженерном и проектном сообществе и только после этого внедрен.
Что еще нового и проблемного?
Согласно Постановлению Правительства РФ № 1521 от 26.12.2014 к техническим и нормативно правовым актам, применяемым на обязательной основе, отнесены отдельные пункты Сводов правил — СП 124.13330 Тепловые сети, СП 89.13330.2013 Котельные, СП 62.13330.2011 Газораспределительные системы.
С вводом СП 89.13330.2013 старый СНиП II-35-76 отменен, однако новый СП справедлив только для отдельно стоящих котельных, см. п. 1.2. По какому нормативному документу необходимо проектировать интегрированные котельные?
При этом нужно помнить, что в СП 89 имеются также нестыковки с другими нормативными документами, технически необоснованные решения и опечатки (см. врезку № 2).
Многие специалисты-проектировщики говорили и писали предложения о введении новых нормативов по интегрированным котельным, по внесению изменений в СП 89, но, к сожалению, «воз и ныне там».
СП62.13330.2011 не успел выйти, как сразу же в него стали вноситься изменения, поскольку в Своде правил сплошные противоречия с другими нормами. До сих пор, несмотря на внесенные изменения, ряд противоречий не устранен.
В свою очередь отмена Правил безопасности Ростехнадзора в области проектирования объектов подведомственным котлонадзору и газовому надзору — это прямой путь к техногенным авариям. Никакая экспертиза здесь не спасет, поскольку эксперты в основной своей массе, особенно в негосударственных структурах, или специалисты с недостаточным опытом, или непрофессионалы. О коррупционной составляющей говорить не приходится.
Выход есть!
Что же делать? — Пересмотреть нормы! Отказаться от мысли, что «рыночные условия поставят все на свои места». Необходимо регулирование отрасли профессиональными сообществами и общий государственный контроль.
При этом необходимо:
— внести изменения в Градостроительный кодекс в части понимания вопросов проектирования и экспертизы;
— внести изменения в Постановление № 87, а еще лучше его отменить и сделать новый документ, дающий понимание объему и составу не только «Проектной», но и «Рабочей» документации. Разработкой нового документа или корректировкой данного постановления должны заниматься не юристы с пожарными и экологами, а специалисты-проектировщики, для дальнейшего его согласования с юристами, пожарными и экологами;
— отменить экспертизу Проектной документации и ввести экспертизу Рабочей документации, а для ее проведения привлекать в качестве негосударственных организаций общественные организации типа СРО, Экспертных советов при Законодательных собраниях, губернаторе, СФ РФ, Государственной думы РФ, Общественной палате и т.п.;
— в области теплогазоснабжения (котельные, тепловые сети и сети газораспределения) необходимо разработать и принять недостающие документы и обязательно увязать их с действующими нормативами;
— необходим закон или некий нормативный акт, предписывающий автоматически с выходом (регистрацией Минюстом РФ) нового нормативного документа вносить измененные требования в другие действующие нормативные документы. Если же нормативный документ выпускается взамен действующего (актуализация), то действующий документ должен автоматически аннулироваться. В случае если два нормативных акта вступают в противоречия, независимо от ведомств их разработавших, верховенство должно отдаваться более позднему нормативному документу. Однако…
Все очень просто, но кто возьмет на себя такую ответственность в Правительстве РФ?
Врезка 1:
При выполнении анализа нормативно-технических и правовых документов рассмотрены:
— Градостроительный кодекс;
— Постановление Правительства РФ № 87 от 16.02.2008;
— ФЗ-384 «Технический регламент о безопасности зданий и сооружений» от 30.12.2009;
— Постановление Правительства РФ № 1521 от 26.12.2014;
— ФЗ-116 и ФЗ-22 «О промышленной безопасности опасных производственных объектов»;
— СП 124.13330 Тепловые сети;
— СП 89.13330.2013 Котельные;
— СП 62.13330.2011 Газораспределительные системы;
— ФНиП «Правила безопасности сетей газораспределения и газопотребления»;
— Технический регламент о безопасности сетей газораспределения и газопотребления (Постановление Правительства РФ от 29.10.2010. № 870, с изменениями от 23.06.2011);
— ФНиП «Правила промышленной безопасности опасных производственных объектов, на которых используется оборудование, работающее под избыточным давлением».
Врезка № 2:
Нестыковки СП 89:
— в разделе 2 указан СП на тепловые сети с № 74.13330.2012 вместо СП 124.13330.2012;
— в разделе 4.8 дана категория котельной, которая противоречит требованиям СП 124.13330.2012 раздел 4;
— в п. 6.21 указана минимальная высота прохода 2,0 м, что противоречит противопожарным нормам СП 4.13331.2009 — 1,8 м;
— в п.13.91 не обосновано требование по установке перед каждым котлом противопожарного термозапорного клапана (такой клапан обязательно устанавливается на вводе газа в котельную и дублируется электрическим клапаном-отсекателем).
В. Н. Киселев, заместитель главного инженера по строительству и архитектуре
А. Д. Белецкая, заведующая группой обследований
В. В. Богатырева, Л. Ю. Васютин, инженеры 1 категории АО «Ленгидропроект»
В условиях комплексной реконструкции ГЭС проведение обследований носит базовый определяющий характер. Обследование строительных конструкций зданий и сооружений гидротехнических объектов и объектов водного транспорта является неотъемлемой частью при проектировании их реконструкции или капитального ремонта, служит для оценки возможности их дальнейшей безаварийной эксплуатации или необходимости восстановления и усиления.
Ключевые слова: реконструкция ГЭС, визуальное и инструментальное обследование технического состояния зданий и сооружений ГЭС, поверочный расчет по результатам обследования, объемы необходимого усиления и ремонта.
Рис. 1. Пример выполнения фотоотчета по результатам визуального обследования
АО «Ленгидропроект» в своей практике в основном занимался проектированием новых гидроузлов. Авария на Саяно-Шушенской ГЭС привела к необходимости разработки проектной документации на восстановление и реконструкцию ГЭС в большом объеме. В этот период в срочном порядке были задействованы все силы института на обследование конструкций, оборудования и инженерных систем станции. Но, как показала практика, своих сил оказалось достаточно только для визуального обследования, и то не всего комплекса, а из инструментального обследования специалисты ЛГП владели только геодезическими наблюдениями и инженерно-геологическим контролем, включая лабораторные исследования грунтов. Для проведения комплексных обследований были привлечены специалисты ВНИИГ им Б. Е. Веденеева, НИИЖБ, ЦНИИСК им Кучеренко, ЦКТИ им Крылова, «СибПроектстальконструкция», НТЦ «Виктория», Навгеоком, ООО «Природа» и ряда других организаций. Результаты полученных обследований не всегда давали необходимую полноту данных. Это обстоятельство было связано с тем, что ГЭС — технически сложный объект, и ввиду этого не всегда технические задания на обследования учитывали все нюансы, которые было необходимо изучить. Благодаря стараниям всех участников и неформальному подходу к работе поставленные задачи были успешно выполнены, что и нашло отражение в положительном заключении ГлавГосэкспертизы.
При этом опыт работ на СШГЭС доказал необходимость создания группы по проведению обследований в АО «Ленгидропроект». Актуальность данного вопроса резко возросла в связи с принятием решения ПАО «РусГидро» о реконструкции большого количества ГЭС, эксплуатирующихся более 20 лет. План работ ЛГП по реконструируемым объектам с 32% в 2013 году вырос в 2016 году до 60%. Обследования являются базой для проведения реконструкции ГЭС.
Рис. 2. Определение толщины стенки трубы приемного портала Чиркейской ГЭС ультразвуковым толщиномером А1209
В 2014 году АО «Ленгидропроект» создает группу по проведению обследований, которая была оснащена необходимым оборудованием, и в настоящее время основную часть обследований выполняет собственными силами.
Созданная группа занимается обследованием следующих типов конструкций:
— металлоконструкции всех типов, включая опоры ЛЭП, порталы и антенные сооружения;
— железобетонные конструкции всех типов, включая обделки туннелей;
— кирпичную кладку и перегородки любого типа.
Рис. 3. Определение остаточной прочности бетона балок щитового отделения Воткинской ГЭС методом ударного импульса электронным склерометром ОНИКС-2.6
При реконструкции ГЭС и объектов водного транспорта необходимо выполнение комплекса работ по обследованию технического состояния большого количества зданий и сооружений, а также специфических гидротехнических сооружений из массивного бетона, грунтовых сооружений, бортов водохранилищ, склонов, селеопасных логов, лавиноопасных склонов и др. Обследование производится в соответствии с титульным списком, утвержденным заказчиком реконструкции.
Обследованию подлежат практически все группы строительных конструкций и все типы материалов, включая грунтовые.
В отдельную группу нужно выделить подлежащие обследованию сооружения, выполненные из металлоконструкций различного назначения. Сюда входят мосты, опоры воздушных переходов, лестницы в теле и с наружной стороны плотины, конструкции под оборудование ОРУ и т. д.
Работы по обследованию выполняются в соответствии с ГОСТ 31937-2011 «Здания и сооружения. Правила обследования и мониторинга технического состояния» [4] и СП 13-102-2003 «Правила обследования несущих строительных конструкций зданий и сооружений» [9].
Большие объемы работ по обследованию требуют тщательной подготовки. Она включает в себя сбор и анализ исходных данных, подбор и обобщение необходимой проектной, рабочей и исполнительной документации. Необходимые чертежи копируются для работы с ними на объекте. Особое внимание следует обращать на результаты проведенных ранее обследований, ремонты и на исполнительную документацию.
Рис. 4. Определение остаточной прочности бетона шахты генератора Воткинской ГЭС методом отрыва со скалыванием прибором ОНИКС-1.ОС.100
Совместно с заказчиком составляется сводный акт на комплексное обследование ГЭС, куда включаются представители заказчика, генпроектировщика по всем специальностям и субподрядных организаций, участвующих в проекте реконструкции ГЭС. В данном акте приводятся все материалы предшествующих обследований, материалы визуального обследования всех зданий и сооружений и инженерных систем, даются рекомендации на проведение инструментального обследования и рекомендации на продолжение эксплуатации или ремонт, усиление или замену. Сводный акт корректируется в процессе продвижения проекта и проведения инструментального обследования и в окончательном виде подписывается заказчиком, генпроектировщиком и представителями субподрядных организаций. Сводный акт включается в состав проектной документации в раздел «Иная документация», в сводном акте дается ссылка на отчеты по видам проведенных обследований. По видам инструментальных обследований составляются программы, утверждаемые заказчиком, где указывается перечень подлежащих обследованию конструкций, перечень предполагаемых дефектов, подлежащих выявлению, места и методы инструментального обследования.
Рис. 5. Определение остаточной прочности бетона плиты перекрытия здания ГЭС Воткинской ГЭС методом ударного импульса прибором ОНИКС-2.6
Первым этапом работы по обследованию является визуальное обследование.
Визуальное обследование включает в себя:
— описание и фотографирование дефектов;
— составление ведомостей дефектов с фиксацией их мест и характера;
— определение мест проведения инструментального обследования как конструкций, так и, при необходимости, их оснований. Места инструментальных измерений определяются в конструкциях, подверженных наибольшим повреждениям в процессе эксплуатации;
— уточнение программы работ по результатам визуального обследования.
По результатам визуального обследования дается предварительная оценка технического состояния объекта, которая уточняется на втором этапе работы. Пример фотоотчета см. на рис. 1.
Вторым этапом работы по обследованию является инструментальное обследование.
Рис. 6. Обследование зоны с прокатной пленой траверсы перекидки в теле плотины Саяно-Шушенской ГЭС ультразвуковым дефектоскопом
Инструментальное обследование включает в себя:
— определение геометрических параметров сооружений и зданий, включая обмеры внутренних помещений. Обмеры проводятся для выявления расхождений с чертежами проектной, рабочей и исполнительной документации. В случае, если техническая документация частично или полностью отсутствует, выполняются обмерные чертежи, которые используются при разработке проекта реконструкции. Если по каким-то причинам проведение обмерных работ с помощью рулеток, лазерного дальномера, линейки, отвеса не представляется возможным (например, работы под опорами воздушных переходов, находящимися под напряжением), необходимо, с привлечением субподрядной организации, провести лазерное сканирование объекта с последующим выполнением по его данным обмерных чертежей.
При необходимости, для определения геометрических параметров сооружений и выявления дефектов, связанных с отклонениями высотных вертикальных конструкций от проектного положения, а также для определения разности осадок фундамента здания выполняется топографо-геодезическая съемка;
— определение геометрических параметров дефектов конструкций с помощью рулеток, линейки, штангенциркуля;
— определение геометрических параметров трещин любого вида — положения, формы, направления распространения, длины и ширины раскрытия. Ширина раскрытия трещин замеряется технической лупой с измерительной шкалой и щупами, глубина — щупами и ультразвуковым прибором «Пульсар-2.2»;
Рис. 7. Проведение инженерно-геологических изысканий (реновации) на трассе ВЛ 220 кВ «Бурейская ГЭС — Завитая цепь I, II» с проходкой шурфа для обследования фундаментов опоры
— измерение толщин металлических элементов конструкций производится ультразвуковым толщиномером А1209 и штангенциркулем для определения коррозионных потерь элементов. Измеренная толщина элемента сравнивается с заданной в проектной документации;
— определение фактической прочности бетона и кирпича конструкций и их элементов механическими методами неразрушающего контроля или ультразвуковым методом, при необходимости выбуриваются керны;
— определение физико-механических характеристик грунтов основания сооружений и анализа их изменений в процессе эксплуатации (с реновацией инженерно-геологических изысканий).
Примеры проведения инструментального обследования см. на рис. 2–6.
При обследовании оснований и фундаментов необходимо выполнить инженерно-геологические изыскания под обследуемыми сооружениями (при необходимости).
Рис. 8. Общий вид шурфа, пройденного в рамках обследования фундаментов здания ОПУ 220 кВ Воткинской ГЭС
В открытых шурфах определяется тип фундаментов, форма в плане, размер, глубина заложения для сравнения с проектным решением, устанавливаются повреждения и прочность материалов их конструкций, наличие и состояние гидроизоляции. Примеры выполнения данных работ см. на рис. 7 и 8.
Третьим этапом работы по обследованию является выполнение поверочного расчета.
Поверочный расчет.
По результатам инструментального обследования выполняется поверочный расчет несущей способности всех обследованных зданий и сооружений с учетом фактических геометрических параметров, прочностных характеристик материалов и выявленных дефектов и повреждений, уточненных характеристик грунтов основания.
Рис. 9. Обследование кровельных балок и плит покрытия машинного зала Воткинской ГЭС с тележки мостового крана
Четвертым этапом обследования является оформление технического отчета. В нем содержатся выводы по результатам обследования, окончательная оценка технического состояния каждого объекта и материалы, обосновывающие принятую категорию технического состояния.
Трудоемкость выполнения отчета вызвана большим количеством разного рода дефектов, отражаемых в дефектных ведомостях, сведенных в таблицы, где для каждого дефекта указаны количественные параметры, дающие возможность произвести оценку влияния данного дефекта на техническое состояние конструкций. По каждому дефекту даются рекомендации по ремонту, которые учитываются при определении объемов ремонтных работ.
Рис. 10. Подготовка мест испытания на железобетонной балке перекрытия здания ГЭС, включающая в себя удаление штукатурного слоя и шлифовку поверхности бетона
При проведении обследования особого внимания требует организация работ по инструментальному обследованию зданий. Высота этажей в основном колеблется от 5 до 12 метров, что требует организации работ по монтажу строительных лесов или подмостей, с которых выполняется инструментальное обследование балок, плит перекрытия и покрытия, стен на высоких отметках. Часть работ в машинном зале ГЭС осуществляется с тележки мостового крана (рис. 9), для обследования водоводов, низовых граней плотин и других высотных сооружений привлекаются альпинисты, а для подводного обследования водолазы.
После определения конкретных участков, где будет проводиться инструментальное определение прочностных характеристик материалов конструкций, данные участки должны быть тщательно зачищены от штукатурки или продуктов коррозии и отшлифованы (рис. 10, 11, 12). Это требует значительных временных и трудозатрат.
Для выполнения инструментального обследования в институте АО «Ленгидропроект» имеется достаточное приборное оснащение:
Рис. 11. Подготовка мест испытания на металлической балке лестничной клетки здания ГЭС, включающая в себя удаление отделочного слоя и очистку поверхности металла от продуктов коррозии
1. Измеритель прочности материалов ОНИКС-1.ОС.100 — предназначен для определения прочности бетона на сжатие методом отрыва со скалыванием в бетонных и железобетонных конструкциях по ГОСТ 22690-2015 [6].
2. Электронный склерометр ОНИКС-2.6 (версия 1) — предназначен для определения прочности бетона на сжатие методом ударного импульса в бетонных и железобетонных конструкциях по ГОСТ 22690-2015 [6] и прочности кирпича.
3. Склерометр ОМШ-1 — предназначен для определения прочности бетона на сжатие методом упругого отскока в бетонных и железобетонных конструкциях по ГОСТ 22690-2015 [6].
Рис. 12. Подготовка мест испытания на несущей кирпичной стене корпуса управления, включающая в себя удаление штукатурного слоя и шлифовку поверхности кирпичной кладки
4. Измеритель времени и скорости распространения ультразвука
«Пульсар-2», модификация «Пульсар-2.2» — предназначен для определения прочности бетона на сжатие ультразвуковым методом в бетонных и железобетонных конструкциях по ГОСТ 17624-2012 [9] и оценки глубины трещин.
5. Мультидетектор PS 38 — предназначен для обнаружения железосодержащих (арматура) и цветных (медь и алюминий) металлов, деревянных балок, пластмассовых труб, э/проводки и э/кабелей в сухих основаниях.
6. Ультразвуковой толщиномер А1209 — предназначен для измерений толщины стенок труб (включая изгибы), котлов, баллонов, сосудов, работающих под давлением, обшивок и других изделий из черных и цветных металлов, с гладкими или грубыми и корродированными поверхностями, а также изделий из пластмасс и других материалов с высоким затуханием ультразвука при одностороннем доступе к поверхности этих изделий.
6. Дефектоскоп ручной ультразвуковой А1214 EXPERT — предназначен для поиска, определения координат и оценки размеров различных нарушений сплошности и однородности материала в изделиях из металла и пластмасс.
Рис. 13. Примеры точек наведения визирного луча тахеометра для определения координат точек подвеса проводов и тросов переходной опоры 220 кВ Воткинской ГЭС
7. Различные инструменты, необходимые при проведения подготовительных работ по зачистке бетона, кирпича и металла для выполнения инструментального обследования.
Наиболее полными по объему выполненных работ по обследованию явились два объекта реконструкции — Воткинская ГЭС и Чиркейская ГЭС. При этом данные обследования при всей кажущейся одинаковости задач существенно различались.
На Воткинской ГЭС наиболее трудоемким явилось обследование зданий АСУТП и ОПУ 220 кВ в связи с тем, что образование трещин в стенах здания вызвало необходимость выявить причины дефекта. Это привело к необходимости выполнения большого объема инженерно-геологических изысканий. Вторым фактором, усложняющим работы, явилось обследование воздушных переходов, где помимо полного обследования технического состояния опор, была выполнена топографо-геодезическая съемка точек подвеса (рис. 13) и габаритов проводов, тросов и инженерно-геологические изыскания по обследованию фундаментов опор. Это было нужно для выполнения расчета воздушных переходов по современным нормативным требованиям.
Рис. 14. Вырезка отверстия для обследования внутренней поверхности металлической трубы переходной опоры Чиркейской ГЭС
На Чиркейской ГЭС, наряду с большим объемом работ, пришлось столкнуться с техническим разнообразием подлежащих обследованию сооружений, что требовало разного подхода к проводимым работам. Наряду с полным обследованием здания ГЭС, двух производственных корпусов, корпуса управления и других вспомогательных зданий, обследовались цементационная и кабельная шахты большой глубины, балконы низовой грани плотины, опоры воздушных переходов. Так как опоры воздушных переходов выполнены из элементов трубчатого сечения, из них были вырезаны образцы для определения величины коррозии внутренней поверхности с последующей заваркой накладками из равнопрочного металла (рис. 14, 15). Кроме того, было выполнено обследование склонов на предмет выявления неустойчивых скальных массивов, появившихся за время эксплуатации станции.
Рис. 15. Отверстие для обследования внутренней поверхности металлической трубы переходной опоры Чиркейской ГЭС
Выводы
1.В условиях комплексной реконструкции ГЭС проведение обследований носит базовый определяющий характер. Обследование строительных конструкций зданий и сооружений гидротехнических объектов и объектов водного транспорта является неотъемлемой частью при проектировании их реконструкции или капитального ремонта, служит для оценки возможности их дальнейшей безаварийной эксплуатации или необходимости восстановления и усиления.
2. В работе по предварительному визуальному обследованию должны участвовать представители заказчика, генпроектировщика и субподрядных организаций, на основании чего должен быть составлен предварительный сводный акт, в котором определяются конструкции и узлы, где должны быть проведены инструментальные обследования. После проведения всего комплекса обследований сводный акт оформляется и подписывается ответственными представителями участников и включается в состав проектной документации.
3. На сегодняшний день в институте АО «Ленгидропроект» созданы все условия для квалифицированного выполнения работ по обследованию. Приобретено необходимое оборудование, подготовлен квалифицированный персонал, хорошо владеющий инструментом, нормативной базой и методиками выполнения работ.
Литература
1. Градостроительный кодекс Российской Федерации от 29 декабря 2004 г. (ред. от 13.07.2015 г.) № 190-ФЗ.
2. Федеральный закон от 30 декабря 2009 г. № 384-ФЗ (ред. от 02.07.2013 г.) «Технический регламент о безопасности зданий и сооружений».
3. Постановление Правительства Российской Федерации от 26 декабря 2014 г. № 1521 «Об утверждении перечня национальных стандартов и сводов правил (частей таких стандартов и сводов правил), в результате применения которых на обязательной основе обеспечивается соблюдение требований Федерального закона «Технический регламент о безопасности зданий и сооружений».
4. ГОСТ 31937-2011. Здания и сооружения. Правила обследования и мониторинга технического состояния. — Введ. 2014-01-01. — М.: Стандартинформ, 2014. — 54 с.
5. ГОСТ 27751-2014. Надежность строительных конструкций и оснований. — Введ. 2015-07-01. — М.: Стандартинформ, 2015. — 13 с.
6. ГОСТ 22690-2015. Бетоны. Определение прочности механическими методами неразрушающего контроля. — Введ. 2016-04-01. — М.: Стандартинформ, 2016. — 43 с.
7. ГОСТ 18105-2010. Бетоны. Правила контроля и оценки прочности. — Введ. 2012-09-01. — М.: Стандартинформ, 2012. — 12 с.
8. ГОСТ 31384-2008. Защита бетонных и железобетонных конструкций от коррозии. Общие технические требования. — Введ. 2010-03-01. — М.: Стандартинформ, 2010. — 45 с.
9. ГОСТ 17624-2014. Бетоны. Ультразвуковой метод определения прочности. — Введ. 2014-01-01. — М.: Стандартинформ, 2014. — 15 с.
10. СП 13-102-2003. Правила обследования несущих конструкций зданий и сооружений. — Введ. 2003-08-21. — М.: ФГУП ЦПП, 2004. — 26 с.
11. СП 15.13330.2012. Каменные и армокаменные конструкции. Актуализированная редакция СНиП II-22-81*. — Введ. 2013-01-01. — М.:
Изд-во ООО «Аналитик», 2012. — 80 с.
12. СП 63.13330.2012. Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения. Актуализированная редакция СНиП 52-01-2003. — Введ. 2013-01-01. — М.: Изд-во ООО «Аналитик», 2012. — 155 с.
13. СП 20.13330.2011 Нагрузки и воздействия. Актуализированная редакция СНиП 2.01.07-85*. — Введ. 2011-05-20. — М.: Минрегион России, 2011. — 96 с.
14. СП 22.13330.2011. Основания зданий и сооружений. Актуализированная редакция СНиП 2.02.01-83*. — Введ. 2011-05-20. — М.: Минрегион России, 2011. — 164 с.
15. СП 28.13330.2012. Защита строительных конструкций от коррозии. Актуализированная редакция СНиП 2.03.11-85. — Введ. 2013-01-01. — М.: Изд-во ООО «Аналитик», 2012. — 93 с.
16. РД 153-34.1-21.326-2001. Методические указания по обследованию строительных конструкций производственных зданий и сооружений тепловых электростанций. Часть 1. Железобетонные и бетонные конструкции. — Введ. 2001-08-01. — М.: СПО ОРГРЭС, 2001. — 69 с.
17. РД 153-34.1-21.530-99. Методические указания по обследованию строительных конструкций производственных зданий и сооружений тепловых электростанций. Часть 2. Металлические конструкции. — Введ. 2000-12-01. — М.: СПО ОРГРЭС, 2001. — 49 с.
18. СТО 17230282.27.010.001 2007. Здания и сооружения объектов энергетики. Методика оценки технического состояния. — Введ. 2007-11-15. — М.: ОАО РАО «ЕЭС России», 2007. — 180 с.
19. СП 47.13330.2012. Инженерные изыскания для строительства. Основные положения. Актуализированная редакция СНиП 11-02-96. — Введ. 2013-07-01. — М.: Минрегион России, 2012. — 109 с.
20. СП 11-105-97. Инженерно-геологические изыскания для строительства. Часть I. Общие правила производства работ. — Введ. 1998-03-01. — М.: Госстрой России, 1997. — 47 с.
21. СП 11-105-97. Инженерно-геологические изыскания для строительства. Часть II. Правила производства работ в районах развития опасных геологических и инженерно-геологических процессов. — Введ. 2001-01-01. — М.: ФГУП ЦПП, 2004. — 88 с.
22. ГОСТ 530-2012. Кирпич и камень керамические. Общие технические условия. — Введ. 2013-07-01. — М.: Стандартинформ, 2013. — 27 с.
23. РД 34.20.504-94. Типовая инструкция по эксплуатации воздушных линий электропередачи напряжением 35-800 Кв. — Введ. 1996-01-01. — М.: Изд-во НЦ «Энас», 2003. — 150 с.
24. Правила устройства электроустановок. 7-е и 6-е издания. — СПб.: Изд-во «Деан», 2012. — 1168 с.
25. Пособие по проектированию усиления стальных конструкций (к СНиП II-23-81*). Укрниипроектстальконструкция. — М.: Стройиздат, 1989. — 160 с.
В статье приведена оценка эффективности работы вентиляционного оборудования и гигиеническая оценка загрязнения воздушной среды на АО «Балтэлектро» (старейшего предприятия в России, недавно отметившее свое 100-летие), выпускающего свинцово-кислотные аккумуляторы для автомобильной, бронетанковой и морской техники.
Ключевые слова: свинцово-кислотные аккумуляторы, воздух рабочей зоны, эффективность систем вентиляции.
Традиционно производство свинцово-кислотных аккумуляторов считается потенциально опасным для работающих. Основными химическими веществами, оказывающими вредное воздействие на организм на данном производстве, являются аэрозоли свинца и серной кислоты [1].
В 2013–2016 гг. были проведены исследования воздушной среды и оценка эффективности работы вентиляционного оборудования на участках по производству аккумуляторов. Исследования проводились при двух различных условиях:
— на участках со старым технологическим оборудованием (после проведения реконструкции систем вентиляции);
— на участках с новыми технологическими линиями и системами вентиляции.
К особенностям современного производства аккумуляторов можно отнести различную степень укомплектованности участков: часть линий прошла полную модернизацию, на других работает старое оборудование, а также предприятие проводит внедрение современных систем вентиляции.
По степени загрязнения воздуха рабочей зоны аэрозолем свинца к наиболее неблагоприятным операциям можно отнести: зону обслуживания электропечи при разогреве свинца у литейщика, пайку и зачистку изделий на рабочих местах паяльщика и сборщика.
Следует отметить, что по результатам производственного контроля на обследуемом производстве, выполненном в 1992 году (до проведения модернизации) концентрации свинца в воздухе рабочей зоны колебались в диапазоне 0,24–66,2мг/ м3 (при ПДК 0.05).
На литейном участке процесс литья может выполняться как на оборудовании 70-х годов, так и на современных литьевых машинах. При применении оборудования старого образца (электропечь (Т = 500 °С) и станок для отливки деталей) концентрации свинца в зоне дыхания колебались от 0,067 до 0,211 мг/м3, что превышает допустимые уровни в 1,3–4,0 раза; у станка для отливки деталей — от 0,045 до 0,097 мг/м3, превышение ПДК (0,05 мг/м3) до 1,9 раза (табл. 1). Разброс данных связан с разными конструкциями станков и размерами деталей. Местная вентиляция на указанном оборудовании представлена в основном вытяжными зонтами.
Следующим этапом развития технологии литья является внедрение литьевых машин, что позволяет исключить неблагоприятный этап работы с электропечью и увеличить производительность. У литьевых машин концентрации свинца в зоне дыхания варьируются в диапазоне 0,050–0,067 мг/м3. Литьевые машины оборудованы местной вытяжной вентиляцией в виде шкафных укрытий. Модернизация технологического и вентиляционного оборудования позволила снизить концентрации вредных веществ в рабочей зоне в 1,5–3 раза.
Основными профессиями на участке сборки аккумуляторов являются сборщик и паяльщик. Концентрации свинца при проведении пайки находятся в диапазоне 0,11–0,21 мг/м3, при дальнейшей зачистке поверхности — 0,16–0,21 мг/м3 (табл. 1). Полученные значения превышают допустимые уровни в 2,2–4,1 раза. К особенности выполнения пайки аккумуляторов больших размеров можно отнести требования больших объемов помещений, что исключает возможность применения стационарных местных отсосов. Рабочие места на данном участке оборудованы вентиляционными устройствами, выполненными из двух жестких воздуховодов и воздухоприемной воронки, шарнирно соединенных между собой.
Всего было выполнено 360 химических анализов на 50 рабочих местах и проведена оценка эффективности работы 128 вентиляционных систем (см. табл. 1).
Таблица 1.
Содержание аэрозолей свинца в воздушной среде производственных помещений
№п/п
Место отбора проб, рабочие места
Концентрации, мг/м3
количество проб, n
в зоне дыхания
в рабочем сечении местногоотсоса
Литейный участок
Рабочее место литейщика
1
— у электропечи для разогрева свинца
8/8
0,088±0,022
1,83±0,37
— у стола для отливки деталей
9/9
0,066±0,017
1,7±0,58
2
— у электропечи для разогрева свинца
8/8
0,067±0,017
0,88±0,18
— у места заливки свинца
10/10
0,045±0,011
0,96±0,19
— у карусельно- литейного автомата
9/9
0,052±0,013
0,78±0,16
3
— у электропечи для разогрева свинца
8/8
0,211±0,042
3,1±0,62
— у станка для отливки борнов
10/10
0,097±0,024
1,95±0,39
4
— у литьевой машины для литья решеток
10/10
0,067±0,017
0,75±0,18
5
— у литьевой машины для литья решеток
10/10
0,050±0,012
0,80±0,2
Участок намазки и сушки
Рабочее место оператора установки сушки свеженамазанных пластин
1
— при выгрузке намазанных пластин «+» линии «Айрикс»- у транспортера выгрузки намазанных пластин «+» линии «Айрикс»
12/1212/12
0,082±0,0160,056±0,014
0,92±0,230,48±0,12
2
— у установки пастоприготовления
9/9
0,070±0,017
—
Мельничный участок
Рабочее место дробильщика
1
— у накопительного бункера свинцового порошка «Хлорайд-4»
10/10
0,090±0,018
—
2
— у мельничной установки «Хлорайд-4»
10/10
0,10±0,02
—
Участок обрубки и зачистки ушков
Рабочее место сборщика
1
— у станка вырубки ушков
6/6
0,073±0,014
0,32±0,06
2
— при зачистке ушков
6/6
0,081 ±0,020
0,39±0,10
Участок сборки аккумуляторов
Рабочее место сборщика
1
— при зачистке изделия
8/8
0,16±0,04(0,36±0,07)*
1,17±0,29(0,47±0,09)*
2
— при зачистке изделия
8/8
0,21±0,05
1,14±0,28
Рабочее место паяльщика
1
— при проведении процесса пайки
9/9
0,11±0,03(0,47±0,09)*
1,48±0,37 (0,26±0,05)*
2
— при проведении процесса пайки
9/9
0,23±0,06
1,44±0,36
* Рабочая операция выполнялась без правильного использования местного отсоса (отсос-воронка находилась на значительном удалении)
Измерения уровней свинца, выполненные при нарушении эксплуатации местного отсоса (отсос-воронка находился на удалении более 30 см от места пайки), показали ухудшение состояния воздушной среды в 4 раза (концентрации свинца в зоне дыхания паяльщика увеличивались до 0,36–0,47 мг/м3).
На участках намазки и сушки, мельничном, вырубки и зачистки ушков за счет внедрения нового технологического оборудования, модернизации местных вытяжных устройств, максимального использования сплошных герметичных вентилируемых укрытий достигнуто снижение концентраций свинца в воздухе. Содержание свинца при вырубке деталей находится в диапазоне 0,13–0,15 мг/м3, на линии намазки и сушки — 0,056–0,082 мг/м3, на мельничном участке — 0,09–0,10 мг/м3.
Параллельно с определением концентраций свинца в воздухе производственных помещений также оценивалось содержание паров серной кислоты на участках кислотоприготовления и формовки. На рабочих местах формовщика уровень концентраций не превышал значений 0,50–0,67 мг/м3 при ПДК (1,0 мг/м3). Фоновые значения в воздухе производственных помещения не превышали нижнего предела определения.
Несмотря на модернизацию технологических процессов и вентиляционного оборудования, а также применение различных санитарно-технических мероприятий, содержание свинца в воздухе рабочей зоны данных производств остается высоким, что делает актуальной проблему рассмотрения и дальнейшего повышения эффективности применяемого вентиляционного оборудования.
На обследуемых участках производства свинцово-кислотных аккумуляторов, помимо оценки воздушной среды, была проведена и оценка санитарно-гигиенических характеристик местных отсосов. Для этого измерялись концентрации свинца: в приемных сечениях отсосов, в рабочей зоне, в зоне действия приточных струй. Оценка работы местных отсосов проводилась по обеспечению ПДК в рабочей зоне и индексу экономичности [4]. Анализ полученных результатов показывает, что индекс экономичности местных отсосов (Кэк) на обследованных участках значительно больше 1 и равен: 11–35 (литьевой участок), 9–12 (участок намазки и сушки пластин), 6–14 (участок сборки аккумуляторов), 3–5 (участок обрубки и зачистки ушков). При 1 ≤ Кэк ≤∞ местные отсосы работают в оптимальном и экономичном режиме.
В то же время надо отметить, что на всех обследуемых участках имеет место превышение ПДКср.с (0.05 мг/м3) свинца в 1,2–4,0 раза, что свидетельствует о необходимости повышения эффективности улавливания вредных выделений местными отсосами за счет доработки конструкций местных отсосов и их приближения к источнику выделений с учетом технологического процесса [5]. Метеорологические параметры воздушной среды и скорости движения воздуха в рабочей зоне обследуемых участков соответствуют требованиям санитарных норм.
Следует отметить, что на сегодняшний день все изучаемые цеха снабжены системами общеобменной приточно-вытяжной вентиляции, которая обеспечивает подачу свежего очищенного воздуха на стационарные рабочие места и снижает уровень загрязнения воздушной среды. На новом производстве приточные установки запроектированы в комплекте с автоматикой, в них предусматривается очистка наружного воздуха в фильтрах, нагрев воздуха в холодный период и подача в помещения.
На основании проведенных испытаний пылегазоулавливающего оборудования (в основном кассетные фильтры типа МDВ В) было установлено, что эффективность очистки удаляемого воздуха сравнительно высокая и составляет 92,8–97,5%, что свидетельствует о минимальном экологическом ущербе при работе данного предприятия (см. табл. 2).
Таблица 2.
Результаты определения эффективности очистки пылегазоочистного оборудования
Местные отсосы от мест зачистки и пайки (4 р.м.).Кассетный фильтр MDB В-18-H
6790
свинец и его неорганическиесоединения(по свинцу)
2,1
1,96
2,0
2,02
2,1
0,091
0,081
0,083
0,085
0,091
95,8
6
Местные отсосы от рабочих столов (3 р.м.).Кассетный фильтр MDB В-16-Н
6280
свинец и его неорганическиесоединения(по свинцу)серная кислота
0,250,12
0,280,14
0,310,17
0,280,14
0,310,17
0,017<0,1
0,014<0,1
0,014<0,1
0,015<0,1
0,017<0,1
94,5-
Участок вырубки ушков
7
Местные отсосы от мест вырубки и зачистки ушков (4 р.м.).Кассетный фильтр MDB В-6
1990
свинец и его неорганическиесоединения(по свинцу)
0,72
0.75
0,75
0,74
0,75
0,019
0,021
0,023
0,021
0,023
97,1
8
Местные отсосы от рабочих столов (2 р.м.).Кассетный фильтр MDB В-12
3960
свинец и его неорганическиесоединения(по свинцу)серная кислота
0,230,11
0,240,15
0,270,13
0,250,13
0,270,15
0,013<0,1
0,014<0,1
0,016<0,1
0,014<0,1
0,016<0,1
94,4-
9
Местные отсосы от станков зачистки ушков (4 р.м.).Фильтр INFASTAUB gmbh D-61348 Тип АМ 301- V34
2550
свинец и его неорганическиесоединения(по свинцу)
0,79
0,83
0,84
0,82
0,84
0,03
0,03
0,03
0,03
0,03
96,3
Участок сушки
10
Местные отсосы от мест выгрузки электродов (2 р.м.).Кассетный фильтр MDB В-12-Н
4250
свинец и его неорганическиесоединения(по свинцу)серная кислота
0,21
<0,1
0,19
<0,1
0,22
<0,1
0,21
<0,1
0,22
<0,1
0,011
<0,1
0,009
<0,1
0,013
<0,1
0,011
<0,1
0,013
<0,1
94,7
—
Участок намазки и сушки
11
Газоочистная установка от транспортера выгрузки намазанных пластин «-» линии «Оксмастер».Фильтр МДВ В8М
2580
свинец и его неорганические соединения (по свинцу)
0,55
0,58
0,62
0,58
0,62
0,032
0,038
0,036
0,035
0,038
93,9
12
Газоочистная установка от транспортера выгрузки намазанных пластин«+» линии «Айрикс».Фильтр МДВ В8М
2685
свинец и его неорганические соединения (по свинцу)
0,68
0,72
0,76
0,72
0,76
0,045
0,049
0,052
0,048
0,052
93,3
13
Установка пастоприготовления«Оксмастер».Скруббер
3505
свинец и его неорганические соединения (по свинцу)
1,45
1,58
1,63
1,55
1,63
0,12
0,14
0,14
0,13
0,14
91,6
14
Установка пастоприготовления«Айрикс».Фильтр МДВ В6М
805
свинец и его неорганические соединения (по свинцу)
1,54
1,60
1,66
1,60
1,66
0,15
0,16
0,13
0,15
0,16
90,6
Выводы и рекомендации:
1. Таким образом, проанализировав полученные материалы, следует отметить, что концентрации свинца в воздухе производственных помещений находились в диапазоне 0,045–0,23 мг/м3, что соответствует 1,0–4,0 значений предельно допустимых концентраций, равных 0,05 мг/ м3.
2. Результаты технического обследования систем вентиляции показали, что характеристики вентиляционного оборудования соответствуют паспортным данным в пределах допустимой погрешности.
3. Местные отсосы на всех обследованных участках имеют оптимальные показатели индекса экономичности, но на участке намазки и сушки пластин, на рабочих места их выгрузки, на мельничном участке, а также на участке сборки концентрация свинца превышает ПДК в 1.2–4.0 раза.
4. Для обеспечения ПДК свинца в рабочей зоне на всех обследованных участках необходима доработка конструкций местных отсосов: их дополнительной капсуляции или приближения к источникам вредностей с учетом технологических процессов.
Литература
Корбакова А. И., Соркина Н. С., Молодкина Н. Н., Ермоленко А. Е., Веселовская К. А. // Медицина труда и промышленная экология, 2001. — № 5. — С. 29–34.
ГОСТ 12.3.018-79 Системы вентиляционные. Методы аэродинамических испытаний.
ГОСТ17.2.4.06-90 Охрана природы. Атмосфера. Методы определения скорости и расхода газопылевых потоков, отходящих от стационарных источников загрязнения.
Гримитлин М. И., Позин Г. М., Тимофеева О. Н. и др. «Вентиляция и отопление машиностроительных предприятий». М., 1993.
Маркова О. Л., Иванова Е. В. // Медицина труда и промышленная экология, 2015. — № 2. — С. 5–8.
В журнале «Энергосбережение» № 3-2016 были опубликованы статьи А. В. Фадеева, эксперта Департамента ЖКХ Минстроя России, и И. А. Башмакова, генерального директора Центра энергоэффективности — XXI век (ЦЭНЭФ-XXI), в которых рассматривались варианты таблицы классов энергетической эффективности строящихся и эксплуатируемых зданий. Объективности ради следовало бы к приведенному анализу добавить еще основополагающую, впервые опубликованную в СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий», таблицу 3 классов энергоэффективности зданий.
Эта таблица включала 5 классов от «А» — самый высокий (величина отклонения расчетного (фактического) значения удельного расхода тепловой энергии на отопление здания от нормативного составляла менее минус 51%) до «Е» — самый низкий (величина отклонения более 76%), с нормальным классом «С» (величина отклонения которого от плюс 5 до минус 9%). Она не соответствует принятой в настоящее время европейской градации классов от А до G c нормальным D посередине, но она объективно отражает существующее в России граничное состояние удельного теплопотребления на отопление многоквартирных домов (МКД) в 76% (спустя десятилетие можно принять — 70%), в которое укладывается большинство построенных в прошлом веке МКД. Если границу поставить на уровне 45–55%, то практически все эти МКД окажутся в категории, подпадающей под немедленное утепление.
Такое сопоставление сразу ставит под сомнение рекомендуемую А. В. Фадеевым таблицу, поскольку в ней в нарушение табл. 3 СНиП 23-02-2003 без всякого основания величина отклонения самого низкого класса G принята более 50%. Следует отметить и сугубо формальный, также не обоснованный, подход к установлению 15%-ного диапазона величины отклонений последующих более высоких классов после нормального D, на что было указано в замечаниях Минэнерго России.
С этих позиций предложенная нами таблица классов энергетической эффективности зданий, основанная на приведенной в [1 и 2] таблице, гармонизированной с европейскими нормами в части диапазона классов от А до G с нормальным D, начинающимся с нуля, и расширенной по статье И. А. Башмакова диапазоном дополнительных классов А+, А++ и А+++, больше отвечает требованиям табл. 3 СНиП 23-02-2003 по классам ниже нормального и последующего Постановления Правительства РФ от 25.01.2011 № 18 о повышения энергетической эффективности зданий с 2011 года на 15% по сравнению с базовым (нормальным) уровнем, с 2016 года еще на 15% и с 2020 года еще на 10%, или в целом на 40% по отношению к базовому уровню.
Отсюда в объединенной табл. 1, приведенной ниже, в классе С — повышенном по отношению к нормальному D, величина отклонений начинается с -15%, а в классе В — с -30%, что соответствует 15%-ному диапазону отклонений, характерному для 1-го и 2-го этапов повышения энергоэффективности по Постановлению № 18, но в классе В максимальная величина отклонений должна соответствовать -40%, что составляет 10%-ный диапазон отклонений, характерный для 3-го этапа Постановления. Такой 10%-ный диапазон отклонений целесообразно сохранить для более высоких классов энергоэффективности, потому что за -40%-ным снижением каждый процент дополнительного снижения требует более существенного увеличения объема инвестиций.
Для того чтобы обозначить высокие классы с буквы А и производными от нее с плюсами, предлагаем назвать класс В близким к высокому (по аналогии с классом, близким к нулевому энергопотреблению), добавив еще один класс А+++ и соответственно сдвинув их названия.
Таблица 1. Классы энергетической эффективности
Обозначение класса энергетической эффективности
Наименование класса энергетической эффективности
Величина отклонения значения фактического удельного годового расхода энергетических ресурсов от базового уровня, %
А+++
Близкий к нулевому
-70 и менее
A++
Высочайший
от -60 до -70
A+
Очень высокий
от -50 до -60
A
Высокий
от -40 до -50
B
Близкий к высокому
от -30 до -40
C
Повышенный
от -15 до -30
D
Нормальный
от 0 до -15
E
Пониженный
от +35 до 0
F
Низкий
от +70 до +35
G
Очень низкий
более +70
Примечание. Для сравнения ниже приводится таблица из приказа Минстроя № 399/пр от 06.06.2016 г. (термин «включительно» здесь лишний, так как термин «до» означает: исключая число, указанное после этого термина, а термин «от» — включая число после него.
Таблица № 2. Классы энергетической эффективности
Обозначение класса энергетической эффективности
Наименование класса энергетической эффективности
Величина отклонения значения фактического удельного годового расхода энергетических ресурсов от базового уровня, %
А++
Близкий к нулевому
-75 включительно и менее
A+
Высочайший
от -60 включительно до -75
A
Очень высокий
от -45 включительно до -60
B
Высокий
от -30 включительно до -45
C
Повышенный
от -15 включительно до -30
D
Нормальный
от 0 включительно до -15
E
Пониженный
от +25 включительно до 0
F
Низкий
от +50 включительно до +25
G
Очень низкий
более +50
Одновременно следует уточнить таблицу базового удельного годового расхода тепловой энергии на отопление и вентиляцию многоквартирных домов (МКД), претерпевшую изменения по сравнению с приведенной в [1 и 2] в части показателей малоэтажных МКД и включения в суммарное удельное годовое энергопотребление удельного расхода электрической энергии на общедомовые нужды в размере 6 кВт·ч/м2 в год для зданий выше 5 этажей и 2 кВт·ч/м2 для зданий 5 этажей и ниже (из-за отсутствия лифтов), с коэффициентом пересчета электрического квт в тепловой в размере 2,5 по соотношению стоимости этих киловатт для населения.
Методика расчета показателей удельного годового расхода энергетических ресурсов гражданских зданий приведена в стандарте Национального объединения проектировщиков (НОП, в настоящее время объединено с таким же объединением изыскателей под аббревиатурой НОПРИЗ)«Требования к содержанию и расчету показателей энергетического паспорта проекта жилого и общественного здания», СТО НОП 2.1-2014, разработанного НП «АВОК». В этом же стандарте приводится пример расчета энергоэффективности 20-этажного МКД, для которого удельное годовое электропотребление на общедомовые нужды, включая искусственное освещение мест общего пользования, работу циркуляционных насосов отопления и горячего водоснабжения, подкачивающих водопроводных насосов и лифтов, без использования энергосберегающих решений составило 7,0 кВт·ч/м2 площади квартир. Применение же датчиков движения или автоматического отключения через заданный период времени с целью энергосбережения на освещение, использованиеболее совершенной программы управления лифтами и оборудование подкачивающего насоса системы водоснабжения, работающего в переменном режиме, частотно-регулируемым электроприводом снизило расходы на общедомовые нужды до 4,2 кВт·ч/м2. Это укладывается в приведенный выше и заложенный в таблицу базовый уровень электропотребления МКД.
В отношении малоэтажных МКД нами в таблицу включены 2-этажные секционные многоквартирные дома, широко распространенные в малых городах, показателей по которым нет в табл. 9 СНиП 23-02-2003, а также уточняются показатели для домов в 4 и 6 этажей, поскольку при переходе с 8 этажей на 6-этажный МКД должен быть более резкий рост удельного годового теплопотребления на ОВ, связанный с переходом от домов с «теплым» чердаком, которые на 5–7% потребляют меньше теплоты, чем дома с совмещенным бесчердачным покрытием.
Дальнейший рост с переходом на 4- и 2-этажные дома связан с повышением относительной площади наружных ограждений к площади квартир с Aext/Ah = 0,96 для 8-этажного дома до 1,3 и 2,0, соответственно 4- и 2-этажного. Выполненный нами пересчет на базе нескольких типовых проектов МКД показал, что для 2-этажного дома базовый удельный годовой расход тепловой энергии на ОВ по отношению к 8-этажному МКД составит 1,45, для 4- и 6-этажных домов, соответственно 1,19 и 1,1, а для 10- и 12-этажных домов 0,95 и 0,92 — оставлено, как было принято в табл. 9 СНиП 23-02-2003. С учетом этих уточненных расчетов пересчитаны показатели этих домов на другие ГСОП.
Далее следует признать, что авторами приказа Минстроя № 399/пр от 06.06.2016 г. неправильно было понято примечание к табл. 9 СНиП 23-02-2003: «Для регионов, имеющих значение Dd = 8000 °С·сут и более, нормируемые следует снизить на 5%». Оно означает, что для регионов с самой суровой зимой (ГСОП = 8000 °С·сут и более), чтобы излишне не ужесточать требования повышения энергетической эффективности строящихся в них зданий, эти требования следует снизить на 5%, то есть нормируемые значения должны быть таковыми, чтобы максимально возможные расчетные значения удельного годового расхода тепловой энергии на отопление и вентиляцию зданий были бы на 5% меньше, чем устанавливаемые для регионов с ГСОП менее 8000 °С·сут. А это значит, что базовые значения удельного годового расхода тепловой энергии на отопление и вентиляцию зданий, строящихся в регионах с ГСОП = 8000 °С·сут и более, должны быть не умножены на величину (1 – 0,05= 0,95), а поделены.
Также при использовании регионального коэффициента пересчета удельного годового расхода тепловой энергии на отопление и вентиляцию при задании показателя базового потребления тепловой энергии здания в размерности Вт·ч/(м2×oC×сут) его надо не умножать на произведение(из табл. 8 и 9 СНиП, пересчитанное с кДж в Вт·ч) и ГСОП, а делить. В расчетах, обосновывающих значения этого коэффициента, в [1, 2] были получены не базовые показатели удельного годового расхода тепловой энергии на отопление и вентиляцию МКД, а расчетные значения с учетом повышения расчетного сопротивления теплопередаче наружных ограждений согласно табл. 4 СНиП 23-02-2003, которые оказались ниже базовых, определенных простым умножением на ГСОП без учета этого повышения, на величину, названную региональным коэффициентом пересчета — крег.
Причем, поскольку нормируемое повышение сопротивления теплопередаче наружных ограждений по табл. 4 СНиП 23-02-2003 начинается с минимального значения ГСОП = 2000 °C·сут, то нельзя за исходное значение для определения расчетных годовых расходов при других ГСОП принимать какое-то среднее значение ГСОП. Поэтому в нижеследующих расчетах принимаем за исходное для определения расчетных годовых расходов ГСОП = 2000 °C·сут и относительно его рассчитаем показатели для других ГСОП.
Рис. 1 Изменение относительных теплопотерь через ограждения здания при повышении их теплозащиты (голубая заливка – по стенам для центрального региона, салатовая – для северных регионов и Сибири).
Сначала пересчитаем, каково будет соотношение составляющих теплового баланса 8-этажного МКД для ГСОП = 2000 °C·сут при известном соотношении для ГСОП = 5000 °C·сут, приведенное в [1 на рис. 1] (относительные теплопотери через стены — 0,215, через перекрытия — 0,05, через окна — 0,265 и на нагрев наружного воздуха для вентиляции — 0,47 от суммарных теплопотерь). Предварительно установим, как изменятся относительные теплопотери наружных ограждений при уменьшении базового сопротивления теплопередаче стен с RW= 3,15 м2·°C/Вт для ГСОП = 5000 до RW= 2,1 м2·°C/Вт при ГСОП = 2000: они повысятся с 0,302 до 0,453 (см. рис. 2 из [1]) и составят 0,453/0,302 = 1,5 по отношению к значению для ГСОП = 5000. Относительные теплопотери через окна при уменьшении их базового сопротивления теплопередаче с RF= 0,54 до 0,3 м2·°C/Вт повысятся от 0,63 до 1,134 и составят 1,134/0,63 = 1,8 по отношению к значению для ГСОП = 5000. И согласно формуле (2 из [1]) найдем q‾ тп.max (для ГСОП = 2000) при q‾тп.max (для ГСОП = 5000) = 1:
q‾тп.max (для ГСОПиск.) =q‾ тп.max (для ГСОПисх.)·[q‾ст. + пер. + q‾ок. + q‾вент.исх.]·(tвн. – tн.иск.р)/(tвн. –tн.исх.р) =
1·[(0,215+0,05)·1,5 + 0,265·1,8 + 0,47]·(20+7)/(20+28) = 0,756, соответственно q‾от.max = q‾тп.max (для ГСОП = 2000) –q‾быт. = 0,756 – 0,19 = 0,566; q‾быт./q‾от.max = 0,19/0,566 = 0,336 (см. строку для ГСОП = 2000 во 2-й части табл. 2).
Далее, по аналогичной методике были пересчитаны требуемые расчетные удельные годовые расходы тепловой энергии на отопление и вентиляцию дома — аналога для всех искомых значений ГСОПиск., принимая за исходное значение, с которым сравниваются все остальные и при котором пересчет выполняется умножением только на ГСОП, значения ГСОПисх. = 2000 oC×сут (см нижеследующую табл. 2), с целью установления закономерности изменения удельного годового расхода в зависимости от ГСОП через поправочный региональный коэффициент пересчета крег., определяемый:
Результаты промежуточных расчетов со всеми исходными данными и вычислением по формулам в [1] сведены в нижеследующую табл. 3.
Таблица 3. Исходные данные для расчета регионального коэффициента пересчета энергопотребления МКД, заданного в Вт·ч/(м2×oC×сут) на кВт·ч/м2 при крег.= 1,0 для ГСОП = 2000 и менее на примере типового 8-этажного дома
ГСОПoC×сут.
Zот.п., сутки
tв, oC
tнср., oC
tнр, oC
Rст.тр, м2×oC/Вттабл. 4 СНиП 23-02-2003
Доля сниж.тепло-потерь (рис. 2)
Отнош. долей к ГСОП = 2000 oC×сут
Rок.тр., м2×oC/Вт табл. 4 СНиП 23-02-2003
Доля сниж.тепло-потерь (рис. 2)
Отнош. долей к ГСОП = 2000 oC×сут
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
2000
125
20
4,0
-7
2,1
0,453
1
0,3
1,134
1
3000
158
20
1,0
-15
2,45
0,388
0,857
0,38
0,895
0,789
4000
189
20
-1,2
-20
2,8
0,34
0,751
0,45
0,79
0,697
5000
220
20
-2,7
-28
3,15
0,302
0,667
0,54
0,63
0,556
6000
235
20
-5,5
-35
3,5
0,27
0,596
0,6
0,61
0,538
8000
250
20
-12,0
-45
4,2
0,227
0,501
0,7
0,52
0,459
10 000
260
20
-18,5
-52
4,9
0,19
0,419
0,75
0,48
0,423
q‾тп.max
q‾вн./q‾тп.max
q‾от.max
q‾внq‾от.max
qот+вент.год.баз. без учета повыш.Rогр..тр.
q‾от.ср.
q‾от+вент.год.расч.
крег.
qот. + вент.год.баз. с учетом повыш.Rогр.тр.
крег. округл.
qот.+ вент.год.баз.норм .округл.знач. с учетом повыш.Rогр.тр..
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
0,756
0,19
0,566
0,336
42
32,25
42,0
1,0
42
1,0
42
0,888
0,19
0,698
0,272
63
46,09
60,0
0,95
66
0,96
66
0,956
0,19
0,766
0,248
84
59,68
77,7
0,93
91
0,92
91
1,067
0,19
0,877
0,217
105
69,34
90,3
0,86
122
0,88
119
1,187
0,19
0,997
0,191
127
84,79
110,4
0,87
146
0,88
144
1,318
0,19
1,128
0,168
169
114,75
149,4
0,88
191
0,88
192
1,398
0,19
1,208
0,157
211
144,73
188,5
0,89
236
0,88
240
Примечания.
1. Колонки 7 и 10 — доля снижения теплопотерь через наружные ограждения, находится по рис. 2 из [1].
2. Колонка 12 — q‾тп.max – относительная сумма расчетных теплопотерь через все наружные ограждения и на нагрев наружного воздуха в объеме нормативного воздухообмена, отнесенная к разности температур внутреннего и наружного воздуха в 1 oC.
3. Колонка 13 — q‾вн./q‾тп.max — относительные внутренние теплопоступления в здание, отнесенные к относительной сумме расчетных теплопотерь при ГСОП = 5000 oC×сут.
4. Колонка 14 — q‾от.max — относительный расчетный расход тепловой энергии на систему отопления здания от.max = тп.max – вн./тп.max.
5. Колонка 15 — q‾вн/q‾от.max — относительные внутренние теплопоступления в здание, отнесенные к относительному расчетному расходу тепловой энергии на систему отопления при разных градусо-сутках отопительного периода региона строительства.
6. Колонка 16 — qот. + вент.год.баз. базовый удельный годовой расход тепловой энергии на отопление и вентиляцию здания без учета повышения Rогр.тр. с увеличением ГСОП, qот.+ вент.год.баз. = (/3600)·ГСОП;
7. Колонка 17 — q‾от.ср. — относительная величина среднего за отопительный период расхода тепловой энергии на систему отопления для определения расчетного удельного годового расхода тепловой энергии на отопление и вентиляцию здания при разных ГСОП:q‾ от.ср.= [(1+ q‾вн/q‾от.max)·ГСОП/(tв – tнр) – Zот.п.·вн./q‾от.max]·24·10-3·q‾от.max·qот.р(при ГСОП = 5000) (формула4из [1]).
8. Колонка 18 — qот. + вент.год.расч. — расчетный удельный годовой расход тепловой энергии на отопление и вентиляцию здания q(от. + вент.) при ГСОПиск.год.расч. = q(от. + вент.) ГСОПисх. = 2000 год.расч.·q‾от.ср.ГСОП иск./q‾от.ср.ГСОП = 2000 (ГСОПиск. — искомое значение ГСОП, при котором определяется qот. + вент.год.расч., по известному значению для исходного ГСОП = 2000 oC×сут).
9. Колонка 19 — крег. — региональный коэффициент пересчета удельного годового расхода тепловой энергии на отопление и вентиляцию здания, при задании показателя базового потребления тепловой энергии в размерности Вт·ч/(м2×oC×сут):крег.= qот. + вент.год.расч./qот. + вент.год.баз..
10. Колонка 20 — qот. + вент.год.баз.норм. — нормируемый базовый удельный годовой расход тепловой энергии на отопление и вентиляцию здания с учетом повышения Rогр.тр. с увеличением ГСОП и крег. по значениям в колонке 19, qот. + вент.год.баз.норм. = (/3600)· ГСОП/крег..
11. Колонка 21 — округленные значения крег., принимаемые для расчетов табл. 3.
12. Колонка 22 — то же, что в колонке 20 по округленным значениям крег. = 1 при ГСОП = 2000 и крег. = 0,88 при ГСОП = 5000 и выше.
Для удобства расчетов округлим 4 последних показателя крег. в колонке 19, полученные делением расчетных значений теплопотребления на отопление и вентиляцию здания qот. + вент.год.расч. (колонка 18) на базовые, полученные без учета повышения сопротивления теплопередаче наружных ограждений по табл. 4 СНиП 23-02-2003 (колонка 16), которым соответствовали базовые значения с учетом повышения Rогр.тр. (колонка 20), на крег. = 0,88. Этим новым значениям крег., приведенным в колонке 21, будут соответствовать новые значения нормируемого базового удельного расхода тепловой энергии на отопление и вентиляцию здания qот. + вент.год.баз.норм., приведенные в колонке 22. Как видим по сопоставлению с более точными значениями в колонке 20, погрешность нормируемых значений не превышает 1,6–2,5%.
Поэтому для получения нормируемого базового удельного теплопотребления на отопление и вентиляцию здания, учитывающего повышение расчетного сопротивления теплопередаче наружных ограждений с повышением ГСОП, на такую же величину следует увеличить значение базового расхода, не учитывающего этого повышения, и формула А.2 Приложения А стандарта СТО НОП 2.1-2014 будет иметь следующее написание:
qот. + вент.год.баз.норм. = (/3600)·ГСОП/крег.,
где — удельный годовой расход тепловой энергии на систему отопления, отнесенный к градусо-суткам отопительного периода, кДж/(м2×oC×сут); принимают по таблице 9 СНиП 23-02-2003;
3600 — коэффициент пересчета кДж в Вт·ч;
ГСОП — градусо-сутки отопительного периода региона строительства;
крег. — региональный коэффициент пересчета удельного годового расхода тепловой энергии на отопление и вентиляцию здания, при задании показателя базового потребления тепловой энергии в размерности Вт·ч/(м2×oC×сут), который следует принимать в зависимости от величины градусо-суток отопительного периода региона строительства для зданий с ГСОП = 2000 oC×сут крег. = 1,0; с ГСОП = 5000 oC×сут и выше крег. = 0,88; в интервале ГСОП = 2000–5000 oC×сут — по линейной интерполяции.
Поскольку для зданий с ГСОП = 5000 oC×сут и выше крег. = 0,88, что больше, чем пятипроцентное снижение требуемой энергоэффективности по приложению к табл. 9 СНиП 23-02: (1 – 0,05 = 0,95), дополнительного снижения требуемого значения энергетической эффективности не требуется.
Ниже приводится уточненная табл. 4 нормируемых базовых удельных годовых показателей энергопотребления МКД и нормируемых в соответствии с Постановлением № 18 с 2016 года удельных суммарных годовых расходов энергоресурсов, в том числе отдельно на отопление и вентиляцию (нормируемых базовых в отличие от базовых, принимаемых по результатам фактического измерения в предыдущий перед внедрением энергосберегающих мероприятий период для оценки энергоэффективности этого мероприятия в сравнении с последующим периодом).
Таблица 4. Нормируемые базовый и требуемый по Постановлению ПРФ №18 с 2016 г. удельный годовой расход энергетических ресурсов в многоквартирном доме, отражающий суммарный удельный годовой расход тепловой энергии на отопление, вентиляцию, горячее водоснабжение, а также электрической энергии на общедомовые нужды многоквартирных жилых домов
Наименование удельногопоказателя
ГСОП,°С·сутотопительн. периода
Удельный годовой расход энергетических ресурсов в зависимости от этажности многоквартирных домов, кВт·ч/м2
2-эт.
4-эт.
6-эт.
8-эт.
10-эт.
≥12 эт.
Нормируемые базовые показатели
тепловой энергии на отопление,вентиляцию, горячее водоснабжение и электрической энергии наобщедомовые нужды,qот. + вент. + гв.год.баз. + 2,5·qэл.об.дом. год.баз.
2000
3000
4000
5000
6000
8000
10 000
215
236
272
313
349
421
491
204
219
248
282
311
371
429
210
223
250
281
308
364
417
206
216
241
269
294
345
393
204
213
236
263
287
335
381
203
211
234
259
282
330
374
в том числе тепловой энергии на отопление и вентиляцию,qот. + вент.год.баз.
2000
3000
4000
5000
6000
8000
10 000
61
96
132
173
209
278
348
50
79
108
142
171
228
286
46
73
100
131
158
211
264
42
66
91
119
144
192
240
40
63
86
113
137
182
228
39
61
84
109
132
177
221
Нормируемые значения, устанавливаемые с 1 января 2016 г.
тепловой энергии на отопление,вентиляцию, горячее водоснабжение и электрической энергии наобщедомовые нужды,qот. + вент. + гв.год.2016 + 2,5·qэл.об.дом. год.2016
2000
3000
4000
5000
6000
8000
10 000
150
162
190
222
248
300
349
143
150
174
200
221
264
305
147
154
175
199
219
259
296
144
149
169
190
209
245
279
143
147
166
186
203
238
270
142
146
164
184
200
234
265
в том числе тепловой энергии на отопление и вентиляцию,qот. + вент.год.2016
2000
3000
4000
5000
6000
8000
10 000
43
67
92
121
146
195
244
35
55
76
99
120
160
200
32
51
70
92
111
148
185
29
46
64
83
101
134
168
28
44
61
79
96
128
160
27
43
59
77
93
124
155
Примечания:
1) при определении базового уровня удельного годового расхода тепловой энергии на отопление и вентиляцию была принята температура внутреннего воздуха вквартирах 20 оС, расчетное заселение 20 м2 общей площади квартир наодного жителя, что соответствует нормативному воздухообмену 30 м3/ч наодного жителя и удельным бытовым внутренним теплопоступлениям 17Вт/м2 жилой площади;
2) базовый уровень удельного годового расхода тепловой энергии на горячее водоснабжение принимается в соответствии с СП30.13330 для заселенности 20м2 общей площади квартир и зависит от климатического района как по водопотреблению, так и по длительности отопительного периода, с отнесением к градусо-суткам нормативного отопительного периода: при ГСОП = 2000 °С·сут равен 149 кВт·ч/м2, ГСОП = 3000–6000 °С·сут равен 135 кВт·ч/м2 и ГСОП = 8000–10000 °С·сут равен 138 кВт·ч/м2;
3) базовый уровень удельного годового расхода электрической энергии на общедомовые нужды равен 6 кВт·ч/м2 площади квартир для зданий выше 5 этажей и 2 кВт·ч/м2 для зданий 5 этажей и ниже (из-за отсутствия лифтов).
Аналогичные данные по одноквартирным отдельно стоящим и блокированным домам, а также общественным зданиям различного назначения и режима использования приводятся в табл. А.2 и А.3 Приложения А, В.4 и В.5 Приложения В стандарта СТО НОП 2.1-2014.
Следует отметить, что эта таблица хоть и отражает перечень нормируемых по постановлению Правительства РФ № 18 потребленных энергоресурсов многоквартирных домов, но это не полный перечень. Неоправданно пропущена такая статья как потребление электроэнергии в квартирах на искусственное освещение и пользование электроприборами и электрооборудованием. Без нее будет неполной оценка энергопотребления конечным потребителем, и в настоящее время есть возможность восполнить этот пробел.
В [3] приводится сопоставление удельных значений потребления электроэнергии в квартирах из «Методических рекомендаций по формированию нормативов потребления услуг жилищно-коммунального хозяйства», утвержденных приказом министра экономики РФ №240 от 06.05.1999 г. с рекомендуемыми значениями в европейских нормах (таблица G.12 EN ISO 13790). После пересчета на российские условия заселенности МКД установлены величины удельного годового электропотребления квартир с электроплитами при заселенности в 20 м2 на человека 43 кВт·ч/м2, а при 40 м2 на человека 27 кВт·ч/м2, то же в квартирах с газовыми плитами, соответственно 26,2 и 16,4 кВт·ч/м2. Эти величины должны быть добавлены к суммарным значениям базового удельного годового энергопотребления МКД в табл. 3.
Приведенные таблицы распространяются на вновь строящиеся, капитально ремонтируемые и эксплуатируемые здания. Считаю очень важным отменить распространенное положение о том, что если в течение 2–3 сезонов измеренный приборами учета и пересчитанный на нормализованный отопительный период расход тепловой энергии на отопление и вентиляцию МКД близки по величине, то это и есть требуемый расход для данного дома. В моей статье в том же номере журнала «Энергосбережение» № 3-2016 под названием «Стратегия автоматического регулирования систем отопления многоквартирных домов» как раз подтверждается, что это не так.
В связи с этим должно быть исключено использование метода аналогов для установления норматива теплопотребления на коммунальную услугу отопления, принятое в Правилах установления и определения нормативов потребления коммунальных услуг, утвержденных Постановлением Правительства РФ от 23.05.2006 г. № 306, и пользоваться только расчетным методом.
Для оценки ожидаемого расхода тепловой энергии на отопление и вентиляцию и для выявления резервов экономии энергии зданий в сравнении с результатами фактического измерения теплопотребления следует составлять энергетический паспорт эксплуатируемого дома так же, как и по проектной документации в соответствии со стандартом СТО НОП 2.1-2014, но с учетом фактического заселения дома и фактических теплотехнических показателей наружных ограждений (или пересчитанных по фактической конструкции). Такое действие позволит также оценить фактическую величину запаса в поверхности нагрева отопительных приборов, создаваемую из-за несоблюдения теплового баланса при расчете теплопотерь зданий.
В статье показано, как в д. 57 по ул. Обручева была реализована путем настройки контроллера регулятора подача теплоты на отопление по расчетной зависимости с учетом выявленного запаса при проектировании системы отопления дома и увеличивающейся доли внутренних теплопоступлений в тепловом балансе дома с повышением наружной температуры. В результате фактическое теплопотребление дома 57 составило в среднем на 47% ниже аналогичных трех домов (той же серии, этажности, капитальный ремонт которых был проведен в том же объеме), в которых также работала система авторегулирования подачи теплоты на отопление, но настроенная на проектные расчетные параметры. И это было реализовано не в течение каких-то нескольких дней, а в течение 5 месяцев подряд, обеспечивая на комфортном уровне температурный и воздушный режимы в квартирах, а теплопотребление подтверждено сертифицированными приборами учета.
Вот где заложена реальная экономия теплоты без дополнительных капиталовложений, а только за счет выполнения необходимых в соответствии со стандартом СТО НОП 2.1-2014 расчетов и перенастройки контроллера регулятора подачи теплоты на отопление и циркуляционного отопительного насоса на нужную производительность по методике, изложенной в Приложениях Г и Д того же стандарта НОП.
Интересно оценить потенциал энергосбережения в МКД после реализации повышения теплозащиты зданий для обеспечения их нормируемой энергетической эффективности к 2016 году. Как было показано в [3, 4], нормируемый с 2016 года уровень энергетической эффективности МКД обеспечивается за счет повышения теплозащиты и совершенствования авторегулирования подачи теплоты на отопление зданий. Для оценки доли каждой составляющей энергетического баланса МКД в федеральных нормах на базовом уровне и нормируемых требований с 2016 года составим табл. 4, а затем для наглядности графическое отражение ее на рис. 1. Базовый удельный годовой расход тепловой энергии на отопление и вентиляцию МКД, строящегося в Москве при ГСОП = 4551 °С·сут. и Крег. = 0,898, принимается по позиции 1 и колонке «более 12 этажей» табл. 9 СНиП 23-02-2003 q_ h_req= 70кДж/(м2·°С·сут) и с учетом пересчета из кДж в Вт·ч составит:
qот. + вент.жил.год.баз.= (70/3600)·4551/0,898 = 98,5 кВт·ч/м2 площади квартир.
Нормируемый с 2016 года расход тепловой энергии на те же цели будет 98,5·(1 –0,3) = 69 кВт·ч/м2.
Предварительно разобьем удельный годовой расход тепловой энергии на отопление и вентиляцию здания на его составляющие, приняв расчетный воздухообмен в соответствии с СП 60.13330.2012 на одного жителя 30 м3/ч или при принятой расчетной заселенности 20 м2 общей площади квартиры на человека — 30/20 = 1,5 м3/(ч·м2). Тогда расход тепловой энергии на нагрев такого количества наружного воздуха для вентиляции составит:
qвент.год.баз. = 0,28·1,5·1,2·1,0·4551·24·10-3 = 55 кВт·ч/м2 в год.
Соответственно, базовый удельный расход тепловой энергии на отопление как разность теплопотерь через наружные ограждения и внутренних теплопоступлений с понижающим коэффициентом на их неполное использование для условий г. Москвы будет:
qот.год.ба.з = qот. + вент.год.баз. – qвент.год.баз. = 98,5 – 55 = 43,5 кВт·ч/м2 в год.
А с 2016 года, учитывая, что расход тепловой энергии на нагрев наружного воздуха для вентиляции остается в том же объеме, но теплозащита наружных ограждений повысится, нормируемый удельный расход тепловой энергии на отопление значительно снизится и будет:
qот.год.2016 = 69 – 55 = 14 кВт·ч/м2 в год.
Таблица 5. Баланс годового энергопотребления МКД в 12 и выше этажей в базовых условиях и в соответствии с требованиями на 2016 год в кВт·ч/м2 и %
Тепловой энергии на
Электрической энергии на обще-домовые нужды
Суммарное годовое энерго-потребление
отопле-ние
вентиля-цию
горячее водо-снабжение
Базовое, 2007 г.
43,5 (18%)
55 (22%)
135 (54%)
15 (6%)
248,5 (100%)
Нормируемое с 01.01.2016 г.
14 (8%)
55 (32%)
94,5 (54%)
10,5 (6%)
174 (100%)
Рис. 1. Диаграмма баланса энергопотребления многоквартирного дома. Обозначения: синий — отопление за вычетом бытовых тепловыделений; красный — вентиляция; зеленый — горячее водоснабжение; фиолетовый — электроснабжение общедомовое
Из табл. 5 и рис. 1 следует, что основное направление дальнейшего повышения энергетической эффективности МКД — это снижение теплопотребления на вентиляцию и горячее водоснабжение за счет осуществления утилизации тепла вытяжного воздуха и применения тепловых насосов. А пока для обеспечения требований руководства страны по повышению энергетической эффективности зданий необходимо выполнять дополнительное утепление наружной оболочки исходя из вышеприведенных указаний, в том числе и при проведении капитального ремонта, а также осуществлять автоматическое регулирование подачи теплоты на отопление, вентиляцию и горячее водоснабжение по оптимальным графикам и учет тепловой энергии в соответствии с действующим законодательством.
Как показывают последние исследования [5, 6], реализация энергосберегающих мероприятий в виде дополнительного утепления зданий и оптимизации авторегулирования подачи тепла на отопление и, возможно, утилизации тепла вытяжного воздуха для нагрева приточного воздуха или воды на горячее водоснабжение при расчете стоимости жизненного цикла дома, включающего в себя расходы на проектирование, монтаж, последующее обслуживание, эксплуатацию в течение срока службы 30–50 лет до очередного капремонта, экономически оправданно. Не следует забывать, что сокращение энергопотребления зданием снижает количество топлива, сжигаемого для его производства, и соответственно выбросы углекислого газа в атмосферу, что особенно актуально согласно резолюции только что прошедшего мирового форума по климатизации.
Литература
1. Ливчак В. И. Базовый уровень потребления энергетических ресурсов при установлении требований энергетической эффективности зданий. «Инженерные системы» АВОК Северо-Запад, №1-2014 г.
2. Ливчак В. И. Уточнение показателей энергоэффективности жилых и общественных зданий. «Энергосбережение», № 1-2014 г.
3. Ливчак В. И. Еще один довод в пользу повышения теплозащиты зданий. «Энергосбережение», № 6-2012 г.
4. Ливчак В. И. Обеспечение энергоэффективности многоквартирных домов. Повышение теплозащиты зданий и автоматизация отопления. «АВОК», № 8-2012 г.
5. Интервью с В. Ф. Горновым в журнале «АВОК» № 8-2015 г.
6. Е. Л. Николаева, В. С. Казейкин. Новый подход к проектированию энергоэффективных жилых домов путем использования стоимости затрат жизненного цикла зданий. «Инженерные системы» АВОК Северо-Запад, № 2-2015 г.
7. Ливчак В. И. Нормирование показателей годового электропотребления жилыми зданиями, в том числе на общедомовые нужды. «АВОК», № 6-2015 г.
(Продолжение статьи. Начало читайте в журнале «Инженерные системы» № 2, 2015)
Проемы больших размеров придают помещениям свойство герметичности. Это в свою очередь накладывает определенные особенности на аэродинамическую структуру в проеме и в пространстве помещения [1]. Во-первых, завеса должна обеспечивать расход воздуха и скорость струи, при которых показатель работы был бы равен q = 1 (q = Gз/(Gз + Gн), Gз – расход воздуха через завесу, Gн — расход наружного воздуха, протекающего в проем, при q = 1 Gн = 0). Во-вторых, из-за увеличения площади проема относительно площади помещения (а значит, и объема помещения) повышается кратность циркуляции воздушного потока через завесу. В самолетных ангарах кратность циркуляции достигает максимальных значений: обычная величина периода полной циркуляции воздушных масс в ангарах около 1 минуты. Это порождает проблему поддержания температурного режима при открытых воротах, защищенных завесами. Если завесы не подогревают воздух настолько, чтобы температура втекающей смеси равнялась расчетной внутренней температуре, то внутренний объем здания быстро заполняется воздухом с более низкой температурой, завесы начинают работать от этой температуры, а не от первоначальной расчетной, происходит понижение температуры в помещении. Обычная тепловая мощность синхронной компенсации теплопотерь — это мегаватты и даже десятки мегаватт. Если тепловой компенсации нет, то полное выхолаживание помещения до уличной температуры происходит за 3–5 минут даже при самой идеальной аэродинамической защите.
Проблема несоразмерной тепловой мощности защиты проемов завесамихорошо известна: на защиту проемов приходится тратить тепловую мощность, сопоставимую, а чаще превосходящую мощность компенсации теплопотерь через ограждения. В самолетных ангарах из-за высокой кратности циркуляции это несоответствие доходит до абсурда и парадокса. Парадоксальность ситуации заключается в чрезвычайной кратковременности использования огромных тепловых мощностей всего лишь 2–4 раза в сутки. Нетрадиционные методы защиты [1], такие как раздельная аэродинамическая и тепловая защита, экранирование струи холодной завесы и схема раздельной двухструйной защиты (схема «домик»), обеспечивают большую экономию тепловой мощности, однако на объектах типа самолетного ангара мегаватты не удается превратить в киловатты. В настоящей работе предлагается эффективное инженерное решение обозначенной проблемы.
Схематически решение сводится к использованию накопителя теплоты, зарядка которого осуществляется малой тепловой мощностью в течение длительного периода закрытых ворот, а разрядка происходит в короткий период открытых ворот с тепловой мощностью, необходимой для синхронной компенсации теплопотерь. Технологии накопления тепловой энергии для покрытия пиковых нагрузок получили свое развитие в начале 80-х годов прошлого века [2]. Однако они практически не применялись для обслуживания коротких форсированных по тепловой мощности режимов, за исключением бытовых водонагревателей. В [2] сделана попытка развенчать мифы, которые сложились вокруг технологий накопления, и разобраться в реальном положении вещей в этой области. Все выводы опираются исключительно на американский опыт энерготеплоснабжения. Анализ накопления для реализации форсированных режимов в [2] отсутствует.
Дадим сначала укрупненную оценку масштабов сооружения по накоплению тепловой энергии, а затем подкрепим ее проектными расчетами. Примем за основу ангар с размерами 80 х 50 х 20 м. Объем помещения составляет 80 000 м3. Для защиты ворот самолетного ангара обычно требуется такой расход воздуха через завесу, который создает внутреннюю циркуляцию с периодом около 1 минуты. При этом расход смеси, оттекающей от ворот, составляет 80 000/60 = 1333 м3/с, или в массовом выражении 1670 кг/с. Пусть наружные условия таковы, что при расчетной внутренней температуре 15 °С средняя температура смеси составляет 6 °С. Тепловая мощность синхронной компенсации равна 1670 х 1,005 х (15 – 6) = 15 100 кВт. Поставлено условие, чтобы в течение 10 минут открытых ворот температура внутри ангара не опустилась ниже +1 °С. Для компенсации теплопотерь в ангаре установлено 150 воздухонагревателей со следующими параметрами:
= расход воздуха 7600 м3/час,
= тепловая мощность при температуре воды 90/70 °С и температуре воздуха 15 °С 100 кВт,
= расход воды при этих же условиях 1,2 л/с,
= подогрев воздуха при этих же условиях 38 °С.
Все воздухонагреватели установлены под потолком, всасывают самый теплый воздух и, передав ему компенсационную теплоту, наподобие дестратификаторов, отправляют его сильной струей вертикально вниз на перемешивание с охлажденной смесью. Суммарный расход горячей воды через нагреватели равен 1,2 х 150 = 180 л/с = 0,18 м3/с. Суммарный расход воздуха через нагреватели 396 кг/с.
Пусть горячая вода поступает в нагреватели из накопителя емкостью трехминутного суммарного расхода воды, т.е. 0,18 х 3 х 60 = 32,4 м3. В течение трех минут вода из накопителя выходит с температурой 90 °С и возвращается с температурой 70 °С. Предполагается, что конструкция накопителя не допускает перемешивания первичной воды с возвратной. Учитывая, что температура воздуха на выходе из нагревателей равна 15 + 38 = 53 °С, температура смеси воздуха, оттекающего от проема со струями из нагревателей, будет (6 х 1670 + 53 х 396)/(1670 + 396) = 15 °С.
Таким образом, в течение трех минут температура воздуха на всасывании в завесы и эжектируемого изнутри ангара будет оставаться неизменной и равной начальной расчетной внутренней температуре 15 °С. По истечении этого периода в нагреватели начнет поступать вода из накопителя с температурой 70 °С. Условие сохранения расходов воздуха и воды через нагреватели позволяет пересчитать температуры теплоносителей на выходе через коэффициент рекуперации τ = 38/(90 – 15) = 0,507 [3]. При новой температуре воды 70 °С, сохраняющейся в течение последующих трех минут, температура смеси воздуха, поступающей на всасывание в завесы и в нагреватели, начнет опускаться от 15 °С. Вместе с ней начнет понижаться температура затекающей смеси от 6 °С. Рассчитанное по минутам изменение температур воздуха и воды представлено в табл. 1. Принято, что полная циркуляция воздуха в пространстве ангара происходит за 1 минуту, а полная циркуляция горячей воды в системе с накопителем за 3 минуты.
Укрупненная оценка показала, что накопитель диаметром 3 м и высотой около 4,7 м обеспечивает в течение 10 минут положительную температуру воздуха в ангаре. Средняя тепловая мощность разрядки составляет 11 000 кВт. При этом расходуется около 7*106 кДж теплоты. Зарядка накопителя в течение 7 часов потребует тепловую мощность не более 280 кВт, что и составляет разрешение энергетического парадокса, в том числе способствует выравниванию потребления тепловой энергии. Масштабы накопителя теплоты, включая и дополнительную насосную станцию, в сравнении с размерами самого ангара и ворот не представляются из ряда вон выходящими. В отдельных случаях при дефиците тепловой энергии на объекте для подогрева воды в накопителе в период закрытых ворот могла бы использоваться электроэнергия, предназначенная для привода вентиляторов завесы и воздухонагревателей при открытых воротах. Это также способствовало бы выравниванию потребления электроэнергии.
На примере того же ангара проделаем уточненные проектные расчеты температурной трансформации с использованием накопителей тепла для двух существенно отличающихся условий: наружная температура – 26 °С и – 50 °С при расчетной внутренней 15 °С. Размеры проема примем равными 12 х 60 м. Разности давления в проеме будут ΔРпр1 = 12,6 Па и ΔРпр2 = 21,8 Па. Угол струи от верхней завесы к плоскости проема α = 30°.
Приведем последовательность расчетных выражений для режима с показателем q = 1. Будем следовать выкладкам работ [1, 4, 5].
1) В общем случае параметр σ = ΔРпрFпр/(ρvз2Fз) имеет смысл отношения потоков импульсов внешнего воздействия Iпр = ΔРпрFпр и завесы Iз = ρvз2 Fз. Условием реализации предельного режима по [1] является равенство σ* = Iпр/ I*= 1 + sinα. Условием реализации режима q = 1 является равенство σˇ = Iпр/ Iˇ = 1/λˇ + sinα, где λˇ — коэффициент эжекции для режима q = 1. Вводя параметр j = Iˇ/ I*, как отношение потоков импульса режима с q = 1 к предельному режиму, найдем из условий реализации
j = (1+ sinα)/(1/λˇ + sinα). (1)
Параметр j является важнейшим показателем (наряду с q) организации защиты. Далее все расчетные параметры аэродинамической защиты выразим через j. Из (1) непосредственно следует выражение для коэффициента эжекции
λˇ = [(1+ sinα)/j – sinα]-1. (2)
2) Геометрическое условие сопряжения прямолинейной части струи с ее искривленной частью, затекающей в проем, по [4] превращается в квадратное уравнение относительно λˇ, которое при подстановке q = 1 принимает вид
F¯ˇ = Kλˇ2 + 0,5λˇ(λˇ + 1) (3)
и позволяет определить параметр F¯ˇ (гидравлическую высоту проема) в зависимости от j.
3) Из условия реализации режима q = 1 отыскивается параметр
σˇ = 1/λˇ + sinα. (4)
4) Относительная разность давлений в проеме
ΔР¯пр = σˇ/F¯ˇ. (5)
5) Скорость струи в сопле завесы
vˇз = ( ΔРпр/ρ ΔР¯пр )0,5. (6)
6) Поток импульса завесы для реализации условия q = 1 при заданной величине j
Iˇ = j ΔРпрFпр. (7)
7) Расход воздуха через завесу для реализации q = 1 при заданной величине j
Vˇз = Iˇ/ρ vˇз. (8)
Расход воздуха смеси, оттекающей от проема
Vˇсм = 0,5(1 + λˇ)Vˇз . (8-1)
8) Расчетная гидравлическая длина струи для определения теплопотерь
L¯ = F¯ˇ/cosα. (9)
9) Число единиц переноса теплоты по [1]
εL = 0,065(L¯)0,556. (10)
10) Относительные теплопотери струи при ее контакте с наружным воздухом
Q¯пот = Q̃|0L = 0,25[1 – exp(-2εL)] + 0,5εL. (11)
11) Безразмерная температура смеси
θсм = 1 -2Q¯пот(λˇ + 1)-1 , (12)
температура смеси
tсм = θсм(t2 – t1) + t1. (13)
12) Тепловая мощность синхронной компенсации теплопотерь
Qкомп = ρCp Vˇсм(15 – tсм). (14)
13) Мощность вентиляторов завесы
Nв = ΔPвVз/ηв. (15)
Здесь ΔРв = 0,5ρ(vз/μ)2 — полное давление вентилятора, μ = 0,75 — коэффициент расхода (потери в воздушном тракте от вентилятора до выхода из сопла завесы), ηв = 0,7 — КПД вентилятора.
Рис.1. Работа завесы с накопителем теплоты
Расчеты по выражениям (2) — (15) сведены в табл. 2. Минимальное значение параметра j принято равным j = 1,5 в соответствии с рекомендацией [4] незначительного удаления от предельного режима, а также с учетом компоновочных ограничений в конструкции завес [6]. Как и следовало ожидать, соотношение j = 1,5 обусловило относительно невысокую скорость струи в сопле и весьма большую ширину сопла. Гидравлически короткая, толстая и низкоскоростная струя обеспечила относительно невысокие тепловые потери и достаточно высокую температуру смеси даже при самых суровых условиях. В противоположность этому соотношение j = 2 привело к структуре с гидравлически длинной, тонкой и высокоскоростной струей. Увеличенные тепловые потери заметно понизили температуру смеси и потребовали значительно большей тепловой мощности синхронной компенсации. В дополнение к этому организация защиты на больших потоках импульса требует установки в завесы более высоконапорных и более мощных вентиляторов. Из табл. 2 видно, что при j = 2 мощность вентиляторов в 3–3,5 раза больше, чем при j = 1,5. Тем не менее, как следует из [6], конструкции серийных вентиляторов зачастую приводят к неизбежности организации защиты с соотношением потоков импульса около j = 2.
Используя установленные в самой верхней части ангара воздухонагреватели, запитанные от накопителя теплоты, рассчитаем температурную картину воздушных потоков в течение 10–14 минут. Для компенсации теплопотерь воспользуемся воздухонагревателями, параметры которых приведены выше. Количества воздухонагревателей приведены в табл. 2. Поминутная температурная трансформация для всех вариантов выполнена по схеме, аналогичной случаю укрупненной оценки (табл. 1). Продолжительность удержания положительной температуры в ангаре в период открытых ворот определена в зависимости от объема накопителя. Результаты расчетов представлены на рисунке.
Очевидный результат состоит в том, что более низкая наружная температура требует большего объема накопителя для реализации одной и той же продолжительности поддержания положительной температуры в ангаре. Вполне ожидаемый результат состоит в необходимости большего объема накопителя при организации защиты на большем потоке импульса струи при равных наружных температурах.
Неожиданный результат — в том, что даже накопитель самого большого объема 50 м3 для j = 2 и наружной температуры – 50 °С (продолжительность положительной температуры 10 мин.) представляет собой всего лишь емкость диаметром 3 м и высотой 7 м. В сравнении с размерами ангара и проема это дополнение (даже включая насосы и прочую гидравлическую обвязку) не является избыточным, тем более что с его помощью решается парадоксальная задача создания на короткий промежуток времени форсированной тепловой мощности без нарушения равномерности потребления тепла. Накопитель вместе с насосной станцией может быть установлен непосредственно около тепловой станции. Однако это потребует прокладки двойной теплотрассы от теплостанции до ангара: одна — для постоянного отопления ангара, другая — для компенсации теплопотерь в период открытых ворот. Возможен вариант и одной теплотрассы, переключаемой на период открытых ворот в замкнутый контур накопителя.
Таким образом, проблема защиты ворот больших размеров холодными завесами с компенсацией теплопотерь в форсированном режиме может считаться решенной.
Таблица 1. Изменение температурной картины в пространстве ангара. Укрупненная оценка
Температуры
°С Минуты 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10Воды в нако-пителе 90 90 90 70 70 70 54,4 54,4 54,5 41,3Воздуха на всасывании в завесу и нагреватели
15
15
15
15
13,1
11,4
9,8
7,3
5,2
4,1Воздуха в смеси от завес
6
6
6
6
4,1
2,4
1,4
— 1,0
— 2,0
— 4,0Воздуха в струях от нагревателей
53,0
53,0
53,0
43,0
42,0
41,1
32,4
31,3
30,0
23,0Воздуха, поступающе-го на всасывание
15,0
15,0
15,0
13,1
11,4
9,8
7,3
5,2
4,1
1,2
Таблица 2. Результаты проектного расчета параметров защиты проема 12 х 60 м
Соотношение потоков импульса j
1,5
2
Наружная температура, °С
-26
-50
-26
-50
Разность давлений в проеме, Па
12,6
21,8
12,6
21,8
Коэффициент эжекции λˇ
2,0
2,0
4,0
4,0
Гидравлическая длина струи F¯ˇ
10,3
10,3
39,1
39,1
Поток импульса завесы Iˇ, Н
9070
15 700
12 090
20 930
Ширина сопла, м
1,06
1,06
0,307
0,307
Скорость струи в сопле завесы, м/с
10,9
14,3
25,5
30,8
Расход воздуха через завесу, м3/час
2,5*106
3,3*106
1,69*106
2,04*106
Расход воздуха втекающей смеси, м3/час
3,75*106
4,95*106
4,23*106
5,1*106
Относительные теплопотери струи Q¯пот
0,24
0,24
0,45
0,45
Температура смеси tсм, °С
8,7
5,0
7,6
3,3
Тепловая мощность синхронной компенсации теплопотерь, кВт
8244
17 270
10 920
20 820
Период циркуляции масс в пространстве ангара, сек
77
58
68
56
Мощность вентиляторов завес, кВт
126
286
465
820
Количество воздухонагревателей
82
173
110
210
Литература
Ю. Н. Марр. Защита проемов больших размеров. Проблемы и решения // Инженерные системы. АВОК-Северо-Запад. № 2. 2015.
М. МакКракен. Накопление тепловой энергии // АВОК. № 3. 2004.
В. Г. Булыгин, Ю. Н. Марр. О тепловых характеристиках водяных воздухоподогревателей // Инженерные системы. АВОК-Северо-Запад. № 3. 2013.
Ю. Н. Марр. Об одном заблуждении при организации защиты проемов завесами //Инженерные системы. АВОК-Северо-Запад. № 4. 2015.
Ю. Н. Марр. Физическое моделирование защиты проемов завесами // Инженерные системы. АВОК-Северо-Запад. № 1. 2014.
В. Г. Булыгин, Ю. Н. Марр. Анализ сетевых характеристик при организации защиты проемов завесами // Инженерные системы. АВОК-Северо-Запад. № 4. 2015.
О. А. Продоус, генеральный директор ООО «ОПСВ-ИНЖИНИРИНГ»
К основным критериям качества питьевой воды относятся: ее безопасность в эпидемическом отношении, безвредность по химическому составу и обладание благоприятными органолептическими свойствами. На основании этих критериев в различных странах разработаны соответствующие нормативные документы, регламентирующие качество питьевой воды, в том числе по микробиологическим и паразитологическим показателям [1].
Изучение степени риска здоровью населения в зависимости от величины загрязнений в потребляемой воде убедительно показало, что опасность заболеваний от указанных выше показателей во множество раз выше, чем от загрязнения воды химическими соединениями.
Именно по этой причине в мировой практике почти повсеместно в процессах очистки воды ее подвергают хлорированию — методу, не только характеризующемуся достаточно широким спектром антимикробного действия, но и обладающему обеззараживающим последействием.
По мнению ряда крупных гигиенистов, хлорирование воды явилось наиболее эффективным прорывом в медицине XX века, позволившим остановить распространение большинства передаваемых водным путем эпидемий, в том числе обусловленных заболеваемостью брюшным тифом, холерой и дизентерией. Однако нормируемые величины ПДК хлора перед подачей в распределительную сеть (остаточного свободного в пределах 0,3–0,5 мг/л; остаточного связанного в пределах 0,8–1,2 мг/л) являются малоэффективными по отношению к энтеровирусам и простейшим.
По данным НИИ экологии человека и гигиены окружающей среды им. А. Н. Сысина, для обеззараживания воды от энтеровирусов необходима продолжительность контакта от 30 мин до 4 часов и концентрация остаточного хлора должна быть не менее чем 1,0–2,07 мг/л. Для обеззараживания воды от цист лямблей при продолжительности контакта 30–60 мин необходима концентрация остаточного свободного хлора 2–5 мг/л, или 1–3 часа при остаточном связанном хлоре 5–20 мг/л. В свою очередь, вирус гепатита А (ВГА) обладает высокой устойчивостью и при режиме хлорирования со связанным остаточном хлором 0,8–1,2 мг/л, который используется на станциях водоподготовки, практически не инактивируется и т. д. [2].
Вышесказанное свидетельствует о том, что хлорирование хотя и приводит к сокращению инфекций, передающихся с питьевой водой, но полностью решить данную проблему не способно.
В 70–80-х гг. прошлого столетия были получены убедительные данные в отношении того, что хлорирование способствует образованию в воде, содержащей органические вещества (природного или промышленного происхождения), галогенсодержащих соединений (ГСС), к наиболее опасным из которых относятся:
— тригалогенметаны — канцерогенные соединения и т. д.
В последние годы американскими учеными в хлорированной воде было идентифицировано более 260 ГСС. С учетом данных о канцерогенности и мутагенности большинства из них во многих развитых странах были введены государственные нормативы, ограничивающие содержание ГСС в питьевой воде. При этом имеет место тенденция к непрерывному снижению их ПДК, а в нормативных документах ряда стран в качестве перспективной цели рассматриваются мероприятия, направленные на предотвращение образования ГСС в питьевой воде.
Следует отметить также, что негативное воздействие на организм человека вызывает не только питьевая вода, содержащая ГСС, но и вода, попадающая через кожу во время приема ванн или посещения бассейна. При этом, по имеющимся данным, часовое купание в бассейне с хлорированной водой равноценно нескольким литрам выпитой хлорированной воды [3].
Это только одна сторона проблемы, другой является то, что затраты, связанные с обеспечением безопасности (при хранении, транспортировании и использовании) жидкого хлора, во множество раз превышают затраты на осуществление процесса хлорирования. Из-за возможных террористических актов дальнейшее применение на водоочистных станциях жидкого хлора становится просто недопустимым, так как он является крайне опасным химическим веществом.
В преобладающем большинстве случаев отказ (уход) от опасного жидкого хлора осуществляется за счет обеззараживания воды менее токсичным и более простым в эксплуатации гипохлоритом натрия, получаемым, в том числе, на месте потребления путем электролиза раствора поваренной соли. Однако гипохлорит натрия, в свою очередь, имеет ряд существенных недостатков:
— при введении гипохлорита натрия в воду одновременно в нее попадает достаточно большое количество хлорид-ионов, что, при обеззараживании относительно мягких вод, неизбежно приводит к интенсификации коррозионных процессов внутренней поверхности стенок стальных и чугунных трубопроводов, по которым очищенная и обеззараженная вода транспортируется к потребителю;
— применение гипохлорита натрия для обеззараживания воды (при прочих равных условиях) не только не снижает количество образующихся ГСС (в частности, тригалометанов), но в ряде случаев способствует их значительному увеличению;
— гипохлорит натрия обладает меньшей бактерицидной активностью по сравнению с жидким хлором, в связи с чем для обеспечения одинакового эффекта обеззараживания воды требует существенного увеличения времени контакта [4].
Несмотря на приведенные выше недостатки жидкого хлора и гипохлорита натрия, отказ от них, без замены на какой-либо разрешенный для применения в питьевом водоснабжении реагент, приводит к неизбежным кишечным заболеваниям, в то время как их применение связано с отдаленным риском заболеваний, в том числе онкологических.
В последнее десятилетие в отечественной практике все шире применяется метод их предварительного аммонирования, в результате чего образуются хлорамины (связанный хлор) — вещества с гораздо меньшим окислительным потенциалом.
Такой прием, позволяющий существенно (до десятка раз) снизить количество образующихся ГСС, однако приводит к тому, что одновременно уменьшается активность обеззараживания. Кроме того, хлорамины характеризуются достаточно сильным аллергенным действием, что представляет опасность возникновения ряда заболеваний [5].
Приведенные данные свидетельствуют о том, что рассмотренные и широко применяемые для обеззараживания воды реагенты являются далеко не оптимальными. Об этом свидетельствует появление на отечественном и зарубежном рынках ряда аналогичных по назначению реагентов, способных уменьшить негативные моменты от использования традиционных.
В табл. 1 приводится сравнительный анализ достоинств и недостатков некоторых реагентов, применяемых для обеззараживания воды.
Таблица 1. Сравнительный анализ достоинств и недостатков некоторых реагентов, применяемых для обеззараживания воды
Наименование реагента
Основные достоинства
Основные недостатки
Диоксид хлора[6]
Эффективный дезинфекант для всех видов микроорганизмов и вирусов, не образует ГСС. Эффективный окислитель, способствующий улучшению органолептических свойств воды.
Требует перевозку и хранение легковоспламеняющихся исходных составляющих.При дозах, необходимых для обеззараживания, в большинстве случаев приводит к образованию хлоратов и хлоритов в количествах, превышающих их ПДК в питьевой воде.
Озон[7]
Эффективный дезинфекант для всех видов микроорганизмов и вирусов, не образует ГСС. Эффективный окислитель, способствующий улучшению органолептических свойств воды.
Образует опасные для здоровья побочные продукты (альдегиды, кетоны, пероксиды и пр.), для удаления которых требуется дополнительное использование фильтров с биологически активной загрузкой.Расщепляет органические соединения на фрагменты, являющиеся питательной средой для разного вида микроорганизмов. Не обладает остаточным дезинфицирующим последействием. Требует значительных капитальных и эксплуатационных затрат.
Растворы оксидантов[8, 9, 10, 11, 12]
Эффективный дезинфекант для всех видов микроорганизмов и вирусов.Эффективный окислитель, способствующий улучшению органолептических свойств воды.
Необходимость утилизации щелочного католита, образующегося в результате производства растворов-оксидантов (анолита), объем которого (щелочного католита) равен приблизительно 1/6 объема анолита.Образование и поступление в питьевую воду одновременно побочных продуктов всех входящих в состав смеси оксидантов. Большинство побочных продуктов различных оксидантов являются канцерогенами и мутагенами, для которых отсутствует порог действия.Применение на первичном этапе водоподготовки раствора оксидантов приводит к лизису водорослей, которые в настоящее время есть в каждом поверхностном источнике водоснабжения и не удаляются из обрабатываемой воды до момента первичного введения оксидантов. В результате лизиса водорослей в питьевой воде высвобождаются гепато- и нейротоксичные вещества.
Реагенты на основе полигексаметиленгуанидин гидрохлорида (ПГМГ-ГХ) и четвертичного аммониевого соединения (ЧАС) «Дезавид», «Дезавид-концентрат», «ДеФлок» и др.[13,14]
Эффективный дезинфекант для всех видов микроорганизмов и вирусов, не образует ГСС.Проявляет двойное действие, выступая одновременно в качестве обеззараживателя и флокулянта. Использование с применением коагулянтов позволяет обеспечить высокую степень очистки и обеззараживания, обладает высоким обеззараживающим последствием. Является одновременно ингибитором коррозии трубопроводов.
Перед использованием требует проведения лабораторных и опытно-производственных испытаний с отработкой технологии применения. Отсутствует специфический аналитический метод определения ПГМГ-ГХ с пределом измерения ниже 0,05 мг/л.
Приведенный выше анализ эффективности обеззараживания воды различными средствами показал, что только реагенты на основе ПГМГ-ГХ (поскольку они не являются окислителями) при использовании не образуют в воде новые токсичные продукты.
Реагенты на основе ПГМГ-ГХ обладают не только биоцидными, но и флокулирующими свойствами, что при коагуляционной водоочистке с их применением позволяет более эффективно удалять сорбируемые на флокулах загрязнения, в том числе соли тяжелых металлов и органические соединения [15].
Флокулирующие и биоцидные свойства реагентов, содержащих ПГМГ-ГХ, обоснованы его структурой. Так, объединение в одной полимерной цепи множества гуанидовых группировок придает всей макромолекуле полимера большой положительный заряд и обуславливает его способность вступать в электростатическое взаимодействие с отрицательно заряженными частицами различной природы. В результате микроорганизмы, несущие в своем большинстве электроотрицательный заряд, обеспечивают сорбцию положительно заряженного вещества на поверхности микробной клетки. Это приводит к разрушению цитоплазматической мембраны, вещество проникает вглубь клетки, нарушает обмен веществ, воспроизводящую способность нуклеиновых кислот и белков, угнетает дыхательную систему, что приводит к гибели микроорганизма [13].
С 2011 года на водоочистной станции № 3 г. Череповца производительностью 100 тыс. м3/сут в реагентной схеме очистки вместо ранее использовавшихся для обеззараживания воды (аммиачной воды + хлор) применяется реагент на основе ПГМГ-ГХ.
Сравнение показателей качества воды по данным схемам приведено в табл. 2.
В процессе работы с новым реагентом ПГМГ-ГХ в МУП «Водоканал» г. Череповца была отработана оптимальная схема его ввода. При его введении в трубопровод речной воды перед рециркуляторами-осветлителями оно выполняет свою основную функцию по обеззараживанию воды, а также улучшает процесс коагуляции, поскольку сочетает в себе свойства дезинфектанта и флокулянта. Введение реагента перед скорыми фильтрами позволяет обеспечить санитарное состояние песчаной загрузки, что особенно актуально при повышении температуры воды и увеличении содержания фитопланктона. Ввод реагента перед подачей в разводящую сеть (в трубопровод подачи в РЧВ) позволяет гарантировать качество воды по микробиологическим показателям при транспортировке по городской трубопроводной системе, протяженностью около 500 км. Количество точек ввода выбирается в зависимости от сезона года и бактериального состояния водоисточника [16].
Таблица 2.
Показатели качества питьевой воды при различных технологических схемах
ПДК по СанПин 2.1.4.1074-01ГН 2.1.5.1315-03*ГН2.1.5.2280-07**не более
Цветность
< 15 град.
< 10 град.
20 град.
Мутность
< 1,0 мг/дм3
< 0,58 мг/ дм3
1,5 мг/ дм3
Хлороформ
0,06–0,16 мг/дм3
< 0,001 мг/дм3
0,06 мг/дм3 **
Перманганатная окисляемость
< 5 мг О2/дм3
3,5-3,8 мг О2/дм3
5 мг О2/дм3
Железо по разводящей сети
< 0,3 мг/дм3
< 0,15 мг/дм3
0,3 мг/дм3
Таким образом, использование в процессах очистки воды реагентов на основе ПГМГ-ГХ гарантированно способствует возможности получения питьевой воды, безопасной в эпидемическом отношении, безвредной по химическому составу и обладающей благоприятными органолептическими свойствами.
Вместе с тем перед практическим внедрением данной серии реагентов необходимо предварительное проведение лабораторных и опытно-производственных испытаний с целью отработки технологии и возможных доз их применения.
Литература
1. Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения (СанПин 2.1.4.1074-01). Минздрав России. — М., 2002. — С. 2–8.
2. Е. Е. Лимаренко, М. Г. Новиков. «К вопросу хлорирования воды для питьевых и хозяйственно-питьевых целей». Ж. «Водные ресурсы и водопользование». — 2014. —№ 1 (120). — С. 10–11.
3. Жалдакова З. И., Харченкова Н. В. и др. «Экспериментальная оценка и прогноз образования хлорорганических соединений при хлорировании воды, содержащей промышленные загрязнения». Ж. «Гигиена и санитария». — 2002. — № 3. — С. 26–29.
4. Селезнев Г. М., Лыков С.М. и др. «Новые технологии и оборудование для дезинфекции воды — альтернатива хлору». Ж. «Безопасность труда в промышленности». — 2007. — № 2. — С. 64–66.
5. Dan Kroll, Security of National Water Supply, The American Society for Microbiology and ASM Biodefense and Emerging Disease Meeting, Washington D.C.Watch. — 2007.
6. Желдакова З. И., Тульская Е. А. «Сравнение реакционной способности дезинфицирующих агентов по отношению к ароматическим химическим соединениям в воде». — 2010. — № 4. — С. 37–41.
7. Бахир В.М., «Дезинфекция питьевой воды: проблемы и решения». Ж. «Питьевая вода». — 2003. — № 1. — С. 17–34.
8. Бахир В.М. «Дезинфекция питьевой воды: анализ и перспективы». Ж. «Питьевая вода». — 2007. — № 3. — С. 17–19.
9. Le Chevallier, Mark W and Au, Kwok-Keung 2004, Water Treatment and Pathogen Control. Process Efficiency in Achieving Safe Drinking Water: Printedby TJ International (Ltd), Padstow, Cornwall, UK. — Publishe don behalf of the World Health Organization by IWA Publishing, Alliance House, 12 Caxton Street, London SW1H 0QS, UK, 136 p.
10. Прокопов В. О. Канцерогенний ризик для здоров’я тригалометанів – побічних продуктів хлорування питної води / В. О. Прокопов, Г. В. Чичковська // Довкілля та здоров’я. — Київ, 2002. — № 4 (23). — С. 20–24.
11. Загороднюк Ю. В. Закономірності утворення хлорорганічних сполук у процесах очищення та транспортування питної води (на прикладі водоочисних споруд міста Нікополь) / Ю. В. Загороднюк, С. Т. Омельчук, К. Ю. Загороднюк, М. І. Василиненко // Медичні перспективи (науковий журнал Дніпропетровської державної медичної академії). — Дніпропетровськ, 2011. — Том XVI, № 2. — С. 110–117.
12. Zagorodniuk, K., Bardov, V., Omelchuk, S., Zagorodnyuk, Yu., Pelo, I., 2015, Ukraine’s population waters upply: nowadays realities and ecologically-hygienic assessment of possible ways of branch’s development: International scientific periodical journal “Theunityofscience”. — Vienna, Austria, pp. 193–202.
13. Плитман С. И., Фигурина Т. И. и др. «Гигиенические и санитарно-технические аспекты применения в водопроводной практике реагентов на основе ПГМГ-ГХ», Ж. «Водоочистка. Водоподготовка. Водоснабжение». — 2016. — № 2 (98). — С. 70–74.
14. Воинцева И. И. «Полигексаметиленгуанидин гидрохлорид — реагент комплексного неокислительного действия для очистки и обеззараживания воды». Материалы шестой конференции, посвященной Международному дню воды и Дню работников ЖКХ «Современные технологии в системах водоснабжения и водоотведения». Вологда. — 2015. — С. 30–43.
15. Ильин С. Н. «Использование инновационных технологий в области водоподготовки на комплексе водоочистных сооружений МУП «Водоканал» г. Череповец. Материалы шестой конференции, посвященной Международному дню воды и Дню работников ЖКХ. Вологда. — 2015. — С. 13–23.
16. Макарова Н., Конкина Л. и др. «Практика применения дезинфицирующих средств на основе полигексаметилен-гидрохлорида и порошкообразных угольных сорбентов на водоочистной станции МУП «Водоканал» г. Череповца». Ж. «Вода Magazin». — 2014. — № 12. — С. 42–48.
Системы водоснабжения и водоотведения любого государства обеспечивают его существование и выживание в любых ситуациях.
Последние 25 лет Россия переживает политические и экономические реформы. Изменение социально-экономического строя привело и к изменениям условий строительства и модернизации систем водоснабжения и водоотведения.
Преимущества перехода в открытый мировой рынок очевидны. За последние 25 лет специалисты получили широкий доступ к международной информации о современных разработках, возможность закупать самое современное оборудование. На рынок водоснабжения и водоотведения вышли представители частного бизнеса. Ведущие мировые производители, такие как GE, CNIM, Wilo, KSB, Bilfinger, Penetron, OTV, Suiz, WTE, Veolia, MC-Bauchemie и другие, эффективно работали на российском рынке, некоторые из них организовывали собственное производство. При непосредственном участии зарубежных фирм были построены такие знаковые объекты как Юго-Западная водопроводная станция в Москве, заводы по сжиганию осадка в С.-Петербурге, цех по обработке осадка в Уфе и десятки других сооружений и систем. Отечественные проектировщики получили возможность работать вместе с известными в Европе технологами-практиками, неоднократно выезжали в ведущие мировые центры.
Недостатки поспешного перехода к рыночной системе менее очевидны, но не менее значимы. Произошло ослабление централизованного контроля, на рынок России вышли зарубежные фирмы с сомнительной репутацией. Произошло сокращение отечественного производства материалов и оборудования, развал фундаментальной, затем прикладной науки. Практически отсутствует профессиональная техническая экспертиза. Поспешное внедрение Болонской системы в высшей школе, непрерывные внутривузовские реорганизации привели к резкому падению квалификации выпускников, а технологов в области водоснабжения и водоотведения практически перестали выпускать. Выходящие из университетов бакалавры не способны решать даже простейшие технологические расчеты.
Специалисты, особенно малых водоканалов, оторваны от передового инженерного опыта, технически разобщены. Технический уровень эксплуатации сооружений и сетей упал и, по неофициальным сведениям, даже в больших городах значения, например, БПК на сбросе в водоемы превышает нормативы в несколько (до 10) раз.
Если в больших и средних городах ситуация с водоснабжением и водоотведением относительно благополучна, то на рынке водоснабжения малых городов (16 млн человек) и сельских поселений (37 млн человек) положение другое.
Достоверной статистики по объемам производства питьевой воды в централизованных системах в сельских поселениях не существует, т. е. 37 млн человек оказались вне поля зрения государственной статистики. На рынке водоснабжения в малых городах и сельских поселениях доминируют частные компании. В Интернете можно найти десятки фирм, предлагающих свои услуги. Как правило, это индивидуальные или групповые скважины с доочисткой природной воды от железа. Во многих селах остались колодцы, вода в которых зачастую не контролируется государственными органами. Число сельских поселений в России более 150 тыс., число сельских коммунальных водопроводов около 16 тыс., чуть более 10%. Можно было бы представить, что жители малых городов и сельских поселений массово пользуются чистой бутилированной водой. Однако независимые источники [1] оценивают потребление бутилированной питьевой воды в России в среднем 15 л на человека в год, и в основном в городах. Оно колеблется от 45 л в Москве, в других городах не более 20, по сельским поселениям статистики нет.
Итак, качество воды, потребляемой сельским населением для питья, практически не контролируется. Это же справедливо для части жителей малых городов. Анализ показывает также явный недостаток квалифицированных специалистов по водоочистке и транспортировке воды в малых городах и сельских поселениях.
Аналогичная ситуация складывается с водоотведением в малых городах и сельских поселениях. Здесь применяются сооружения очистки воды небольшой производительности от единиц до 5 тыс. куб. м/сут. Удельная стоимость строительства таких сооружений оказывается в 1,5–2 раза выше, чем сооружений большой производительности (до 30 тыс. руб. за 1 м3/сут), регулярное обслуживание также стоит денег. Покупают такие сооружения часто не сельские поселения, а предприятия, торговые центры, обеспеченные люди, поэтому данный сектор рынка быстро развивается в условиях достаточно жесткой конкуренции. Как правило, малые очистные сооружения не чистят воду до рыбохозяйственных нормативов, но контролирующие органы зачастую закрывают глаза, поскольку это все-таки лучше, чем септики без дна.
На рынке малых очистных сооружений работают десятки, до сотни производителей, таких как «Юнилос», «Экос», «Гидроаудит», «Термит», «Промстоки», Argel, «Альта Групп», Экотех-Москва и т. д. Сектор малых очистных сооружений постоянно расширяется, охватывая курорты, торговые центры, промышленные предприятия, рекреационные зоны. Соответственно эффективные производители, такие, например, как «Архмонтаж», выходят на строительство больших очистных сооружений.
Структурные реформы строительной отрасли и отрасли ЖКХ последних 20 лет привели к заметным результатам. По данным Национального объединения проектировщиков и изыскателей (НОПРИЗ) доля строительной отрасли, промышленности стройматериалов и ЖКХ составляет 17% от ВВП России. Из общего числа предприятий в отрасли 98,2% предприятий находятся в частной собственности, в проектировании 64% организаций — малые частные предприятия с годовым объемом работ не более 25 млн руб. Неудивительно поэтому, что доля частных водных операторов непрерывно растет. Характерно, что водные операторы России не попадают в детальную систему государственной статистики и оценить их техническую вооруженность, изношенность оборудования, квалификацию специалистов экономические потребности с достаточной точностью не представляется возможным. По данным НОПРИЗ население ежегодно финансирует приобретение жилья и оплату ЖКХ услуг на сумму 7 трлн рублей. Из них в системы водоснабжения и водоотведения страны попадает всего 349 млрд, или 5%. Это на эксплуатацию и новое строительство. В то же время, по данным концепции Государственной программы «Чистая вода», разработанной коллективом специалистов в 2008 году, потребность отрасли в целом составляла 15 трлн рублей на 20 лет, т. е. только инвестиций 750 млрд руб. ежегодно.
Итак, развитие систем водоснабжения и водоотведения в России даже при экономическом кризисе не останавливается, но в условиях слабеющей инженерной школы, нереализуемых норм очистки сточных вод, недостаточного контроля за качеством очищенной воды, особенно в малых городах и сельских поселениях и т. д. требуется принятие нестандартных решений. Решение сформулированных выше проблем возможно только при объединении усилий всего профессионального сообщества.
Одним из таких нестандартных решений стало создание при Российской ассоциации водоснабжения и водоотведения Экспертно-технологического совета (ЭТС).
Задачи ЭТС:
— развитие российской инженерной школы в сотрудничестве с высшей школой и РАН;
— создание единого информационного пространства;
— методическая помощь водоканалам России.
Направления работы Совета:
— экспертиза новых технологических решений, оборудования, выбор приоритетных направлений развития технологий;
— проведение технических и экологических аудитов;
— организация обучающих семинаров, круглых столов, конференций;
— экспертная помощь водоканалам в решении инженерных задач;
— аккредитация при РАВВ специалистов и юридических лиц для проведения экспертиз и аудитов.
В рамках Экспертно-технологического совета организована работа следующих секций:
— Секция водоснабжения и безопасности питьевой воды. Анализ и развитие технологий подготовки, обеззараживания и кондиционирования питьевой воды из природных поверхностных и подземных вод. Выработка приоритетов (обобщенных дорожных карт) по достижению безопасности питьевой воды, с учетом новых рисков и загрязняющих компонентов, построение планов поэтапного достижения высших уровней безопасности воды в реальных условиях эксплуатации отечественного водного хозяйства. Рассмотрение возможностей повышения качества питьевой воды на действующих сооружениях. Накопление и анализ информации об экстраординарных вариантах проектов. Накопление и анализ информации об устойчивости технологий, надежности оборудования и систем управления.
— Секцияводоотведения очистки сточных вод. Выбор и оценка технологии очистки сточных вод для различных требований к водовыпускам. Сравнительный анализ различных схем водоотведения поселений России. Методы минимизации отрицательного экологического воздействия сооружений очистки сточных вод и сетей канализации.
— Секция переработки осадка сточных вод. Сравнительные оценки технологий и оборудования переработки и утилизации. Использование осадков сточных вод в качестве вторичного материального ресурса. Инженерный опыт утилизации отходов.
— Секция «Научные исследования в области водоснабжения и водоотведения». Исследование общих свойств процессов очистки воды. Современные разработки энергоэффективных технологий и оборудования в области биологической очистки сточных вод. Исследование новых видов оборудования и материалов, таких как мембранное и вакуумное. Научная экспертиза новых технологических и инженерных решений с учетом импортозамещения.
— Секция проблем транспортировки воды.Критерии и пути повышения надежности трубопроводов систем водоснабжения и водоотведения городов и поселений России. Надежность и экологическая безопасность труб. Критерии выбора материала. Снижение неучтенных расходов и потерь воды. Водный аудит. Прочностные расчеты трубопроводов при реконструкции бестраншейными методами. Критерии выбора методик расчета и программного обеспечения. Геоинформационные системы, математические и электронные модели систем подачи и распределения воды. Стратегия планирования восстановления трубопроводов централизованных систем водоснабжения и водоотведения. Наилучшие доступные технологии в области бестраншейного ремонта трубопроводов централизованных систем водоснабжения и водоотведения. Экспертиза технических решений, инноваций, методик расчета и рекомендаций в области проектирования, строительства и эксплуатации трубопроводов и оборудования систем транспортирования воды. Изучение альтернативных методов транспортировки воды.
— Секция контроля качества воды, осадка.Приборы измерения качества воды — метрологические и эксплуатационные особенности. Оптимизация работы аналитических лабораторий. Интегральные критерии качества воды, оценка риска по питьевой воде, анализ корректного применения методик выполнения измерений. Проектирование систем мониторинга качества воды. Контактные и дистанционные средства измерения качества воды. Методы космического зондирования. Оценка достоверности измерений.
— Секция «Энергоэффективность сооружений и систем водоснабжения и водоотведения. Системы управления». Систематизация аппаратных и программных средств построения АСУ-ТП и АСУ-П. Разработка критериев энергоэффективности систем водоснабжения и водоотведения и экспертиза решений. Способы повышения энергоэффективности работы сооружений. Приборы учета и метрологические характеристики.
— Секция по вопросам эксплуатации, сервиса и технической поддержки систем ВКХ. Типизация регламентов эксплуатации. Автоматизированные системы управления работой персонала. Разработка логистических схем управления производством. Организация сервисных служб и методы эффективного управления персоналом. Повышение качества эксплуатации за счет устранения ошибок персонала из-за невнимательности, некомпетентности. Анализ способов оценки технологий в процедурах закупочной деятельности предприятий ВиВ. Интегральные индексы технического состояние оборудования, водопроводных сетей и сооружений как основа для обоснования инвестиционных программ. Переработка МДК 3-02.2001 «Правила технической эксплуатации систем и сооружений коммунального водоснабжения и канализации».
— Секция «Развитие отечественного производства оборудования, материалов и реагентов для водоснабжения и водоотведения». Возможности повышения надежности отечественного оборудования и других эксплуатационных характеристик. Развитие отечественного производства материалов и покрытий. Экспертиза материалов и реагентов для систем водоснабжения и водоотведения.
Состав Экспертно-технологического совета сформирован на добровольной основе. В него вошли ведущие специалисты из водоканалов, университетов, ведущих отечественных фирм. В настоящее время в составе Совета 11 докторов наук, 7 кандидатов наук, руководители и главные инженеры некоторых ведущих водоканалов России, известные в стране профессионалы. Формы работы Совета разнообразны. Это и пленарные и секционные заседания в различных городах России, проведение экспертизы технологии, материалов и оборудования, поддержка создания реестров технологий и оборудования, проведение презентации, семинаров, общественных слушаний. Экспертно-технологический совет будет способствовать развитию российской инженерной школы, созданию единого информационного пространства, объединяющего водоканалы, проектировщиков, производителей оборудования, ученых. Секции Совета вырабатывают рекомендации к внедрению новых технологий, материалов, оборудования в области водоснабжения и водоотведения. Предполагается также, что ЭТС будет выдавать заключения на технологические и проектные решения, готовить рекомендации по выбору технологий и закупке оборудования, по желанию заказчика проводить предварительную экспертизу тендерных предложений.
Силами Совета возможно проведение отраслевых конкурсов на лучший проект, лучшее оборудование, лучший менеджмент, лучший водоканал и т. п.
В рамках РАВВ предполагается также конструктивный диалог с законодательной и исполнительной властью на различных уровнях, содействие в создании венчурных фондов.
Автор считает, что создание Экспертно-технологического совета позволит достичь большей консолидации отраслевого сообщества, повысить качество проектных работ за счет большей информированности специалистов о новых технологиях и оборудовании, повысить квалификацию обслуживающего персонала, прежде всего инженерно-технических работников.
В предыдущих работах [1, 2] рассмотрены особенности организации защиты завесами проемов в таких специфических сооружениях, как самолетные ангары и помещения для спецтехники. Проемы больших размеров придают свойство герметичности ограждению, а сплошная струйная защита проема делает пространство помещения замкнутым. Любой приток или отток массы из замкнутого пространства мгновенно изменяет внутреннее давление, а вместе с ним и разность давлений в проеме. Изменение направлено в сторону, уменьшающую приток или отток. Поэтому устойчивая сплошная струйная защита может существовать только в режиме полной защиты, когда любые перетекания между наружной и внутренней атмосферой здания устремляются к нулю отрицательной обратной связью через давление, а показатель работы завесы q → 1. В [2] показано, как должны быть увязаны между собой параметры верхних завес, обеспечивающих режим полной защиты проема.
Неполная защитагерметичного помещения тоже возможна. При этом нарушается условие замкнутости пространства, отрицательная обратная связь формирует перетекания между наружной и внутренней атмосферой, показатель работы завесы становится q < 1. Однако, поскольку герметичность ограждения остается, затекающий в проем наружный воздух обязательно находит выход в какой-нибудь области проема даже при защите верхними завесами. Неполная защита может возникнуть, например, в проемах самолетных ангаров, имеющих посредине более высокий проход для хвостовой части самолета. Даже тщательное экранирование торцевых сечений смежных струй с разной высоты дополнительными струйными перекрытиями может быть разрушено из-за неустойчивости структур при их взаимодействии. Другой случай неполной защиты возникает, когда пространство над проемом несвободно, установка верхних завес невозможна и при относительно небольшой протяженности проема вдоль размаха (20–30 м) приходится использовать боковые двусторонние завесы. В этом случае достижение режима с показателем q = 1 требует значительного усиления встречных струй. Это порождает автоколебания всей защитной структуры, делает ее ненадежной в плане удержания замкнутости пространства и сильно увеличивает теплопотери с уходящими массами. Как следствие, становится более рациональной неполная защита.
Данные соображения привели к необходимости поиска защитных структур проемов герметичных помещений с рационально организованной циркуляцией воздушных масс между внутренней и наружной атмосферой. Решению этой проблемы и посвящена настоящая работа.
Известно, что в незащищенном открытом проеме герметичного помещения нейтральная зона проходит около середины высоты проема. Под нейтральной зоной наружный воздух затекает в проем, над ней внутренний воздух вытекает наружу. Включение завесы повышает расположение нейтральной зоны в соответствии с выражением, полученным из уравнения воздушного баланса ([3] глава 2, § 4, раздел IV),
где μ — коэффициенты расходов нижней и верхней части проема, ρ — плотности воздуха при температурах затекающей смеси и уходящего в верхней части воздуха. Выражение (1) получено для боковых завес, но качественно применимо и к верхним завесам. В режиме неполной защиты (q < 1) затекание наружных масс в помещение так же происходит во всей нижней части проема под нейтральной зоной, а вытекание из помещения в верхней части над нейтралью. Переход к режиму полной защиты (q = 1) переводит нейтраль на уровень верхнего створа проема, при этом затекание эжектированных наружных масс прекращается, равно как и вытекание из проема.
Если речь идет о боковых завесах, то режим неполной защиты реализуется установкой модулей с суммарной длиной сопел, равной высоте нейтральной зоны. Тогда из верхней части проема, незащищенной завесами, избыточный воздух вытекает наружу (работа на вытяжку) и уносит с собой теплоту, которая была израсходована на подогрев эжектированного наружного воздуха и на компенсацию теплопотерь при контакте струй с наружным воздухом. Спасти этот теплый воздух подачей его на всасывание в завесы невозможно, поскольку это противоречило бы сущности режима неполной защиты. В герметичном помещении сколько воздуха вошло извне ниже нейтрали, столько должно выйти выше нее, а выпустить ненагретый наружный воздух также невозможно. Принципиально возможно другое: использовать удаляемый теплый воздух на обдув снаружи струй боковых завес, что позволило бы частично эжектировать его и повышать температуру смеси. Однако для этого необходима установка дополнительных вентиляторов с направляющими патрубками, т. е. сильное усложнение и неоправданное удорожание защиты.
Верхняя завеса в режиме неполной защиты герметичного помещения допускает выход воздуха в верхней части проема в двух вариантах, если не принимать во внимание тривиальное оттеснение струйной пелены уходящим потоком от вертикального створа пролета. Во-первых, защитная структура могла бы состоять из отдельных струй, в промежутках между которыми воздух выходил бы на улицу. При определенном сочетании размеров промежутков и толщин струй их расширение не только в поперечном направлении, но и в направлении размаха приведет к смыканию и перекрытию проема ниже нейтрали. Эжекция теплого воздуха, выходящего между струями, позволит частично утилизировать выбрасываемое тепло.
Возможна и другая организация выхода воздуха. Для этого необходимо отодвинуть завесу от ограждения внутрь помещения. Однако только горизонтальное перемещение завесы в пространстве над проемом потребовало бы значительного увеличения угла струи к плоскости проема и могло бы сформировать неприемлемую для защиты структуру. Между тем в [4] было предложено перемещать завесы вглубь помещения под углом струи к плоскости проема с учетом увеличения толщины струи при ее прохождении под верхним створом проема.
Рис.1 Схема течения в проеме с экранированной струей
Эта схема, изображенная на рис. 1, была названа экранированием струи. В отличие от общего случая работы на вытяжку экранирование является организованным и управляемым способом энергосбережения при работе в режиме неполной защиты проема. Экранирование состоит в том, что выходящая из помещения масса полностью эжектирована струей внутри помещения и она же заходит вместе со струей внутрь в нижней части проема, как добавка наружного воздуха к ядру постоянного расхода завесы. Режим течения организован так, чтобы остальная эжектированная масса после выхода струи из-под верхнего створа проема отделилась и ушла на улицу. Часть теплоты эжектированного внутри помещения воздуха возвращается назад. Кроме того, эжектированные массы дополнительно экранируют ядро постоянного расхода от теплопотерь наружу. При этом стандартный показатель работы q становится меньше единицы, а введенный в [4] модифицированный показатель (специально для экранированных струй) остается равным единице q̃ = 1. Под модифицированным показателем в [4] было принято отношение расхода завесы Gз плюс расход наружной эжекции Gэа в экранированной части струи к сумме расходов числителя и дополнительного эжектированного снаружи воздуха после выхода струи из-под верхнего створа проема q̃ = (Gз + Gэа)/[(Gз + Gэа) + Gн)].
Экранировать таким же способом струи боковых завес невозможно, поскольку в нижней части проема под нейтральной зоной разность давлений направлена снаружи внутрь помещения.
Рис.2 Схема течения от верхней завесы — предельный режим
Дадим оценку защите боковыми завесами. Рассмотрим сначала наиболее простой в расчетном плане предельный режим защиты проема. На рис. 2 представлена схема предельного режима от верхней завесы. Напомним, что предельный режим характеризуется полным затеканием струй в проем практически без их взаимодействия и без проникновения между ними неэжектированных струями масс. Предполагается, что в сечении проема под нейтральной зоной затекание струй происходит, как от двух симметрично расположенных верхних завес. Поэтому далее используются расчетные выражения для предельного режима верхней завесы из [5]. Последовательность расчета следующая:
Задаются высота Нпр, ширина Впр и угол струи к плоскости проема α.
Находится параметр σ* = 1+ sinα, под которым понимается отношение потока импульса внешнего воздействия Iпр = ΔРпрFпр и потока импульса завесы Iз = Gзvз. Поток импульса завесы в предельном режиме равен I* = Iпр / (1+ sinα). Здесь знак * означает принадлежность к предельному режиму. Поскольку в дальнейшем все величины будут иметь отношение к предельному режиму, этот знак опускается. Кроме того, согласно предыдущему, защитная структура выстраивается в сечении проема ниже нейтрали. Поэтому и разность давлений ΔРпр, и площадь сечения Fпр, и прочие величины относятся исключительно к этому сечению.
Для заданного ряда значений относительной площади проема под нейтралью F¯ определяется ряд значений безразмерной разности давлений, действующей в сечении под нейтралью ΔР¯пр,
ΔР¯пр = σ*/ F¯. (2)
Рассчитываются коэффициенты эжекции
λ* = [F¯/(K + 1)]0,5, (3)
где К = cosα/(0,55/ξ)2, принимается ξ = 0,8,
и показатели работы завесы
q* = 2/( λ* + 1). (3-1)
По выражению (1) находится относительная высота нейтральной зоны hнз/Hпр, принимается μнижн/μверх = 0,5.
Рассчитывается разность давлений, действующая в области под нейтралью,
ΔРпр = 0,5gΔρhнз. (4)
Согласно [3], вместо коэффициента 0,5 более точно будет 0,44, однако, учитывая и другие допущения, можно в формуле оставить 0,5.
Находится скорость струи в сопле завесы
vз = (ΔРпр/ρ ΔР¯пр)0,5. (5)
Рассчитывается площадь сечения сопел завесы с двух сторон
Fз = hнз Впр/ F¯. (6)
Суммарный расход воздуха через завесы
Vз = Fз vз. (7)
Ширина сопла завесы
bз = 0,5 Fз / hнз. (8)
Проверка правильности проделанных вычислений осуществляется вычислением потоков импульса и установлением равенства Iз = I*.
Если предполагается оснастить проем конкретными завесами из каталога производителя, то параметры завесы сопоставляются с полученными результатами и подбирается наиболее близкий режим, определяется количество завес, устанавливаемых с одной (с каждой) стороны
Z = hнз /Lз, (9)
где Lз — длина завесы вдоль стороны проема.
Может оказаться, что во всем диапазоне расчета не нашлось близкого режима. В этом случае следует поварьировать угол струи или перейти к другой модели завесы.
После согласования аэродинамических вопросов защиты делается тепловой расчет. В общем случае температура смеси определяется из теплового баланса по выражению
где Gн = (1/q* – 1)Gз — расход наружного воздуха, эжектированного струями завесы, Gэ = 0,5(λ* – 1)Gз — расход эжектированного изнутри воздуха, tэ — температура эжектируемого воздуха, Q¯пот — относительные теплопотери с уходящими наружу массами в проеме, защищенном завесами. В предельном режиме теплопотери с уходящими массами равны нулю Q¯пот = 0. При этом остаются теплопотери, связанные с поступлением в помещение эжектированного снаружи холодного воздуха, который в идеале должен быть нагрет от tн до расчетной внутренней температуры tв, а затем неизбежно выброшен через верхнюю часть проема над нейтралью. В начальный момент открытия ворот температура эжектируемого изнутри воздуха равна расчетной внутренней. Однако, согласно [3], при защите двусторонними завесами температура эжектируемого изнутри воздуха принимается равной температуре смеси, в связи с чем третьи слагаемые в обеих квадратных скобках (10) должны быть опущены.
В помещениях продуваемого типа при нормальных длительностях открытых ворот такое упрощение достаточно справедливо. Но при длительном открытии ворот с боковыми завесами (в отличие от верхней завесы) не только температура эжектируемого изнутри воздуха опустится до температуры смешения, но и на всасывание в завесы пройдет охлажденный воздух. Формирование положительной обратной связи приведет к понижению температуры сначала в ареале ворот, а затем область с понижающейся температурой начнет распространяться по всему внутреннему пространству.
В помещениях герметичного типа с высокой кратностью циркуляции при отсутствии надлежащей компенсации теплопотерь, связанных с поступлением эжектированного холодного воздуха, эффект положительной обратной связи приведет к полному выхолаживанию помещения в течение 3–4 минут. Такой вариант защиты не рассматривается как рабочий. Синхронная компенсация теплопотерь, т. е. удержание расчетной внутренней температуры правильно организованным в пространстве введением нагретых струй воздуха из воздухонагревателей позволяет считать температуру эжекции равной внутренней температуре и вести расчет температуры смешения по выражению (10), обнуляя теплопотери с уходящими массами.
Тепловая мощность синхронной компенсации рассчитывается по выражению
Qкомп = Cp(Gз + Gн + Gэ)(tв – tсм). (11)
Рис.3 Схема защиты ворот ангара с накопителем теплоты
Как правило, величина тепловой мощности для сооружений типа самолетного или вертолетного ангара достигает нескольких мегаватт (иногда десятков мегаватт). Фактически тепловая компенсация потерь за период открытых ворот — это коротко протекающий форсированный режим нагревания воздуха в условиях высокой кратности циркуляции. Реализация такого режима «в лоб» невозможна. Поэтому в [2] было предложено решение этой сложнейшей проблемы на основе включения в систему теплоснабжения накопителя теплоты (см. рис. 3). Оказалось, что для современных ангаров размеры бака-аккумулятора горячей воды не выходят за пределы разумных масштабов инженерных сооружений.
Пример расчета защиты проема в герметичном помещении боковыми завесами в предельном режиме по выражениям (1) – (11) приведен в табл. 1 для следующих условий: высота ворот Hпр =13 м, ширина Bпр = 21 м, наружная температура – 35 °С, расчетная внутренняя +5 °С, угол струи к плоскости проема 30°, ворота открываются не более чем на 10 минут 5 раз в смену (интервал между открытиями 1,6 часа).
Таблица 1. Результаты расчета защиты боковыми завесами
Параметр
Величина параметра
F¯нз
20
25
30
35
ΔР¯пр
0,075
0,06
0,05
0,043
λ*
2,66
2,98
3,26
3,52
q*
0,55
0/50
0,47
0,44
hнз, м
9,1
9,3
9,4
9,5
ΔРпр, Па
8,5
8,7
8,8
8,9
vз, м/с
9,7
11,0
12,1
13,2
Σ Vз, м3/с
93,1
86,0
79,6
75,2
Fнз = hнзB, м2
191
195
197,4
199,5
Iпр, Н
1624
1696
1739
1780
I*, Н
1083
1134
1159
1190
bз, м
0,53
0,42
0,35
0,30
Последний столбец табл. 1 показывает, что для защиты в предельном режиме можно использовать завесу КЭВ-П8020А [6], близко соответствующую по своим параметрам расчетным результатам. Необходима установка 12 завес с каждой стороны. Суммарный расход воздуха будет Gз = 325 440 кг/час, расход наружного воздуха, эжектируемого струями Gн = 414 200 кг/час, расход внутренней эжекции Gэ = 410 050 кг/час. По выражению (10) определяем температуру смеси — 9,4 °С, по (11) тепловую мощность синхронной компенсации Qкомп = 4622 кВт. Полагая, в соответствии с [2], начальную температуру воды в баке-накопителе 95 °С, конечную 40 °С, находим теплоту и объем воды для ее аккумуляции, необходимые для компенсации теплопотерь в течение 10 минут: теплота 2,77*106 кДж, объем воды 12 м3. Размеры бака-накопителя не превышают: диаметр 2,5 м, высота 2,5 м. Мощность зарядки за 1,6 часа составляет 480 кВт. Синхронная тепловая компенсация может быть реализована установкой 50 тепловентиляторов КЭВ-180Т5, 6W3 [6]. В отличие от рекомендаций [2] при защите двусторонними боковыми завесами тепловентиляторы следует устанавливать на окружающих боковых стенах на небольшой высоте (не выше 3 м).
Следует отметить, что в предельном режиме раздельная аэродинамическая и тепловая защита не приводит к экономии тепловой мощности (как это происходит в режиме полной защиты). Поэтому вместо тепловентиляторов можно использовать завесы с воздухонагревателями.
Попытка усилить защиту боковыми завесами (повысить показатель q) приведет к поднятию нейтральной зоны и увеличению разности давлений в нижней части проема. Это неизбежно потребует установки более мощных завес. Приведем результаты расчета по [8] режима защиты с q = 1 (для тех же условий). Разность давлений в проеме становится равной ΔРпр = 13,6 Па. В связи с этим требуется установка 9 завес КЭВ-П10010А [6] с каждой стороны. Суммарный расход воздуха будет Gз = 1 260 000 кг/час. Принимая относительные теплопотери с уходящими массами по [3] Q¯пот = 0,3, имеем температуру смеси — 7 °С и тепловую мощность компенсации 4220 кВт. В данном случае предпочтительна раздельная аэродинамическая и тепловая защита.
Как и ожидалось, переход на режим полной защиты боковыми завесами с многократным увеличением аэродинамической мощности (Iпр = 3713 Н, Iз = 5460 Н) дал незначительный эффект в сравнении с предельным режимом.
Возвращаясь к верхним завесам, рассмотрим схему экранированных струй в двух аспектах. Во-первых, как было указано в [7], завеса с экранированной струей есть реализация схемы, в которой при сохранении потока импульса струи достигается снижение скорости. Формально эта схема дает замену завесы с высокоскоростной струей на завесу больших габаритов (большей ширины сопла) с меньшей скоростью и большим расходом. Переход к гидравлически толстой, короткой и низкоскоростной струе сам по себе уменьшает теплопотери с уходящими массами. Во-вторых, применительно к герметичному помещению, завесу с экранированной струей можно рассматривать как способ реализации неполной защиты (q < 1) с утилизацией выбрасываемого тепла.
При действии верхней завесы в проеме негерметичного помещения так же формируется нейтральная зона. Разница с защитой боковыми завесами состоит в том, что выход воздуха из области над нейтралью будет через аэрационные проемы в ограждении. Если не принимать во внимание действие заведомо слабых верхних завес, то качественно характер перемещений нейтральной зоны при вариации показателя q мог бы быть аналогичен защите боковыми завесами. Так, при q = 1 нейтральная зона должна подняться до верхнего створа проема. Однако у боковых завес разность давлений, действующая в проеме под нейтральной зоной, напрямую связана с параметром q через высоту нейтральной зоны по выражению (1). Верхние завесы с экранированием в герметичных помещениях не имеют такой связи, поскольку их нормальное функционирование реализуется только при q̃ = 1, как и у их неэкранированных аналогов. Это позволяет считать положение нейтральной зоны при защите экранированной завесой на уровне верхнего створа проема с разностью давлений в проеме, пропорциональной Нпр/2, независимо от действительной величины стандартного параметра q.
Приведем последовательность проектного расчета защиты герметичного помещения экранированной верхней завесой в режиме q̃ = 1. Дадим сначала систему безразмерных соотношений.
При удалении завесы от верхнего створа проема на расстояние «а» под углом струи α (см. рис. 1) ее гидравлическая длина от сопла до верхнего створа будет za = a/(bзcosα), а коэффициент эжекции на этом участке
λа = (0,55/ξ) za0,5. (12)
Здесь коэффициент качества струи принят ξ = 0,8. При этом на уровне верхнего створа проема ширина струи по среднемассовой скорости vа = vз/λа будет ba = λa2bз. Далее принимается, что на уровне верхнего створа проема установлена воображаемая завеса с шириной сопла ba и скоростью струи в сопле vа и расчет аэродинамических параметров ведется, как для обычной завесы. Поскольку расстояние z отсчитывается не от полюса струи, а от среза сопла, то в отсутствие экранирования при а = 0 следует принять λа = 1.
Относительная площадь проема
F¯а = Fпр/ baBпр = F¯пр/λa2. (13)
Для воображаемой завесы параметр — соотношение потока импульсов внешнего воздействия и завесы — остается неизменным и равным тому же параметру реальной завесы
где А = 0,25/(К + 0,5), коэффициент К принимается по (2), но коэффициент качества струи уменьшается до ξ = 0,7 в связи с реально неравномерной (струйной) эпюрой профиля скорости в сопле воображаемой завесы.
Поскольку для воображаемой завесы из условия q̃ = 1 параметр
σа = σ = 1/λ + sinα, (16)
то отсюда определяется
ΔР¯пр = σ/ F¯пр
и скорость струи в сопле реальной завесы
vз2 = ΔРпр/ρ ΔР¯пр. (17)
Введем параметр — масштабная скорость — в виде vпр2 = 2 ΔРпр/ρ. Используя масштабную скорость, приведем (17) к безразмерному виду
(vз/ vпр) = (2 ΔР¯пр)-0,5. (18)
Относительный удельный расход воздуха в завесе будет
Соотношение потоков импульса завесы к предельному, как обычно, равно
j = I/I* = (1 + sinα)/σ. (20)
Приведенная последовательность (12) – (20) позволяет определить параметры завесы для защиты проема герметичного помещения на заданные условия. Поверочный расчет конкретной завесы из каталога можно выполнить по обобщенному выражению из [7], приведенному к параметрам воображаемой завесы при заданной величине экранирования
(a/bз) и угле струи α = 30°
F¯а = 28,2(1000е1)-0,451, (21)
где e1 = 0,5gΔρbа/(ρvа2), Δρ — разность плотностей воздуха при наружной и внутренней температурах. Высота проема, аэродинамическая защита которого обеспечивается выбранной завесой, определяется как
Нпр = F¯аbа. (22)
Если расчетная величина Нпр получилась больше высоты заданного проема, завеса избыточна и следует проверить на соответствие более слабую модель. При уменьшении угла струи до нуля высота проема составляет лишь 70% от величины (22). Для промежуточных углов допустима интерполяция.
Дадим оценки тепловых характеристик при защите проемов экранированными верхними завесами. Оценки построим на основе обычных выражений [1], но для воображаемой завесы.
Гидравлическая длина струи принимается для всей высоты проема
L¯ = Hпр/(bаcosα).
Число единиц переноса
ε = 0,065(L¯)0,556.
Потери теплоты с уходящими массами при q̃ = 1 равны теплопотерям через струю
Q¯пот = Q̃|0L = 0,25[1 – exp(–2ε)] + 0,5ε (23),
здесь Q̃|0L = Q|0L / GзаCp(tв – tн), причем для схемы экранированной струи под Gза понимается расход воображаемой завесы, равный Gза = λа Gз.
Безразмерная температура смеси определяется как
θсм = 1 – 2Q¯пот(λ + 1)-1, (24)
а сама температура
tсм = θсм(tв – tн) + tн.(25)
Безразмерная тепловая мощность компенсации при q̃ = 1, согласно [4], равна теплопотерям
Рис. 4 Результаты расчета защиты герметичного помещения экранированной завесой
Расчеты по выражениям (12) – (27) представлены на рис. 4 в диапазоне параметров
(a/bз) = 4 – 8 и F¯пр = 10 – 30. Как видно, с увеличением степени экранирования (a/bз) температура смеси повышается, а тепловая мощность синхронной компенсации убывает. Понятно, что любой точкена рис. 4 соответствует своя завеса, работающая в режиме q̃ = 1. В частности, с ростом степени экранирования (a/bз) завеса изменяется в сторону уменьшения скорости струи и расхода воздуха при сохранении ширины сопла. Этому соответствует квадратичное уменьшение потока импульса завесы (уменьшение j). Таким образом, увеличение степени экранирования при удержании условия q̃ = 1 приближает режим работы к предельному (j → 1), на котором и достигаются самая высокая температура смеси и самая низкая тепловая мощность.
Таблица 2. Сравнительные характеристики неэкранированной и экранированной верхних завес
Параметр
Неэкранированная
Экранированная
одинарная
сдвоенная
одинарная
Z, шт
21
42
21
21
α, град
30
20
30
30
а, м
0
0
5,5
3
q (q̃)
0,49
1
0,56 (1)
0,49 (0,74)
ΣVз, м3/с
145,8
291,6
148,9
145,8
Gсм, кг/час
1951000
2054000
1660700
2034000
tсм, 0С
–8,5
–0,8
+0,5
–3,7
Qкомп, кВт
7350
3330
2090
4940
В табл. 2 в первых двух столбцах представлены параметры защиты проема неэкранированной верхней завесой КЭВ-П9010А [6] для условий примера табл. 1. В третьем столбце табл. 2 приведены параметры той же экранированной завесы, рассчитанные по выражениям (12) – (27) для реализации режима q̃ = 1. В четвертом столбце приведен расчет экранированной завесы, установленной на произвольной высоте, например, 3 м (т. е. заведомо для q̃ < 1). Характерно, что одинарные ряды во всех вариантах, включающие 21 завесу, работают на режиме, близком к предельному (Iпр = 3713 Н, I* = 2475 Н, Iз = 2520 Н).
Одинарный ряд неэкранированных завес не может защитить герметичное помещение (q = 0,49) без мощного выброса эжектированного наружного воздуха через аэрационные проемы в ограждении. Соответственно, формируется низкая температура смеси и большая тепловая мощность компенсации. Сдвоенный ряд неэкранированных завес обеспечивает полную защиту (q = 1) и заметно улучшает тепловые характеристики, но завес при этом требуется 42 вместо 21. Правильно подобранное экранирование позволяет сохранить одинарный ряд завес, сильно повысить температуру смеси и в три с лишним раза уменьшить тепловую мощность компенсации теплопотерь. Произвольное экранирование (последний столбец табл. 2 — а = 3 м) улучшает показатели в сравнении с отсутствием экранирования (первый столбец), но не в полной мере.
Цена высокой эффективности правильного экранирования — большое удаление завес от верхнего створа проема. При высоте проема 13 м расположение сопел поднимается на отметку 18,5 м. К этому надо добавить высоту завесы около 2 м и расстояние от кровли не менее 1,5 м, обеспечивающее нормальное всасывание вентиляторами воздуха и его свободный проход в пространство между струей и передней стенкой ограждения над проемом. В итоге высота кровли должна быть не менее 22 м. По горизонтали завесы должны быть отодвинуты от плоскости проема на 4,5 м с учетом угла 30° и толщины струи на высоте верхнего створа проема.
Выводы
Максимальной эффективностью обладает верхняя экранированная завеса в режиме полной защиты герметичного помещения. Организация такой защиты требует большого внутреннего пространства здания.
Экранированная завеса в режиме неполной защиты размещается в меньшем пространстве, однако эффективность защиты снижается.
Неэкранированные верхние завесы либо наименее эффективны по энергетике в сравнении с экранированными, либо требуют удвоения аэродинамической мощности, а значит, и капитальных затрат для достижения сопоставимой эффективности.
Боковые двусторонние завесы менее эффективны, чем верхние экранированные. При вынужденной защите боковыми завесами предпочтительнее работа в предельном режиме.
Литература
Ю. Н. Марр. Защита проемов больших размеров. Проблемы и решения // Инженерные системы. АВОК-Северо-Запад. № 2, 2015.
В. Г. Булыгин, Ю. Н. Марр. Защита проемов больших размеров. Проблемы и решения. Часть вторая // Инженерные системы. АВОК-Северо-Запад. № 3, 2016.
В. М. Эльтерман. Воздушные завесы. Издание 2-е. М.: Машиностроение. 1966.
Ю. Н. Марр. Экранирование струй шиберующих завес // Инженерные системы. АВОК-Северо-Запад. № 1, 2015.
Ю. Н. Марр. Об одном заблуждении при организации защиты проемов завесами // Инженерные системы. АВОК-Северо-Запад. № 3, 2015.
М. И. Попов, главный специалист ОВиК ООО «Хортэк-Проект»
О.Е. Васильева, преподаватель, РГПУ им. А.И. Герцена
Влияние углекислого газа (СО2) на организм человека уже достаточно давно и хорошо изучено многими отечественными и зарубежными экспертами. Этот относительно безвредный газ по ГОСТ 12.1.007-76 относится к 4 классу опасности, он содержится в небольших количествах в составе чистого атмосферного воздуха [1]. Углекислый газ, как уже было сказано, сам по себе безвреден, но в концентрациях от 7% может нанести ущерб здоровью человека в виде удушья. При этом стоит отметить, что он не имеет накопительного эффекта и все симптомы быстро проходят при снижении его концентрации.
Концентрация СО2 в пределах от 0,1% оказывает отрицательное влияние на самочувствие человека. Считается, что содержание углекислого газа от 0,04 до 0,07% — это свежий воздух; от 0,07 до 0,1% — спертый воздух, но такая концентрация еще допустима; более 0,1 % — резко снижает работоспособность организма. При этом стоит отметить, что изменение концентрации кислорода в воздухе может изменяться в более широких пределах от 19 до 21%, не оказывая влияния на самочувствие здорового человека. ASHRAE установило приемлемое значение содержания углекислого газа в помещениях с пребыванием людей: на уровне до 1000 ppm, или 0, % от объема (об.). Многие международные и отечественные авторы при расчетах воздухообмена опираются именно на эту величину [3].
В Европейском стандарте 2004 года воздух в помещениях с пребыванием людей разделяется на категории качества от IDA 4 — низкое, IDA 2 и 3 — среднее, до IDA 1 — высокое. Предполагается несколько способов определения категории качества. В табл. 1 приведен пример одной из оценок по превышению уровня СО2 как индикатора в воздухе помещений над наружным воздухом [2].
Таблица 1
Категория помещения
Превышение уровня СО2 в помещении над егосодержанием в наружном воздухе, ppm
типичный диапазон
задаваемое значение
IDA 1
<400
350
IDA 2
400–600
500
IDA 3
600–1 000
800
IDA 4
≥1000
1200
Системы механической вентиляции, где диктующим условием было содержание СО2 в обслуживаемом помещении, хорошо проработаны и описаны различными экспертами. Системы естественной вентиляции в старом фонде рассчитаны на неорганизованный приток воздуха через неплотности ограждающих конструкций и инфильтрации оконных проемов. При этом стоит отметить, что повсеместная замена старых окон на стеклопакеты привела к резкому изменению баланса приточного воздуха. В современных зданиях предусматривается приточный клапан в стене, но его конструкция не всегда является удачной, и жители иногда его удаляют.
Информации по фактическим показателям содержания СО2 в воздухе офисных помещений или жилом фонде в свободном доступе почти нет. С этой целью был проведен ряд экспериментов, изначально не претендующих на полное освещение проблемы. Измерения имеют ознакомительный характер для специалистов ОВиК, но в то же время отражают основные моменты проблематики.
Эксперименты проводились в жилом доме «хрущевской» пятиэтажной постройки. Ограждающие конструкции выполнены из кирпича. Квартиры двухкомнатные смежной конструкции с общей площадью 43 м2; количество жителей от 1 до 3. Квартиры оборудованы системами естественной вентиляции и дымоходами газовых водогрейных колонок.
Рассматривались квартиры вторых и третьих этажей как наиболее характерные. Все квартиры, в которых проводились измерения, — с замененными окнами и стеклопакетами, оборудованными откидными створками окон для проветривания. В комнатах с балконами находилась откидная дверь.
Измерения проводились в центре помещения на уровне спального места и уровне головы в местах отдыха сидя. Прибор находился на высоте от 600 мм до 1000 мм.
Все растения, для исключения их влияния, были удалены из помещения. Также для исключения влияния концентрационного выхлопа от человека регистраторы находились в 1 метре от человека.
Эксперимент проводился летом, по суткам:
1) для полностью закрытых окон;
2) открытых в помещении, где находится человек;
3) открытых в смежном помещении.
Для эксперимента был использован прибор CO2 Carbon Dioxide Hygrometer Thermometer Data Logger Humidity Air Temp. Meter. При помощи этого прибора проводились измерения уровня СО2 в жилом помещении, а также запись данных за периоды измерений.
Рис. 1. Изменение концентрации СО2 в квартире при полностью закрытых окнах, где ось Оу — уровень концентрации СО2 в ррм, а ось Ох — время проведения эксперимента
На рис. 1 представлено изменение концентрации СО2 в двухкомнатной квартире с полностью закрытыми окнами и одним человеком с 20:00 до 09:00 утра.
На рис. 1 концентрация представлена в промилле, регистрация с 5-минутным интервалом.
С начала измерений наблюдаются колебания, а затем постепенный рост концентрации CO2 в жилом помещении. Максимальное содержание углекислого газа (1210 ррм) зафиксировано около 5 часов утра, после чего происходит некоторая стабилизация. Стоит отметить, что условия на протяжении всего измерения не менялись. Из чего следует, что при неизменных условиях в непроветриваемом помещении концентрация СО2 увеличивается до определенного уровня и стабилизируется.
Рис. 2. Изменение концентрации СО2 в квартире в режиме проветривания с периодом записи в 5 минут, где ось Оу — уровень концентрации СО2 в ррм, а ось Ох — время проведения эксперимента
При постоянном принудительном проветривании бытовым вентилятором производительностью 170 м3/час концентрации СО2 в воздухе помещения колеблется от 400 до 550 ррм в течение суток.
Рассмотрим более подробно режим проветривания. На рис. 2 представлен режим проветривания с периодом записи в 5 минут.
При открытой откидной створке окна в первые 5 минут проветривания наблюдается быстрое снижение уровня СО2 с 1210 до 900 ррм. Затем спад происходит плавнее и достигает своего минимального значения (500 ррм) через 55 минут после начала проветривания.
Рис. 3. Изменение концентрации СО2 в квартире с минутной регистрацией, где ось Оу — уровень концентрации СО2 в ррм, а ось Ох — время проведения эксперимента
Для большей детализации была проведена запись с минутной регистрацией в режиме накопления и проветривания (рис. 3).
В 23:20 были закрыты все окна, в 03:30 была открыта откидная створка окна для проветривания, в 6:00 — оставлено на микропроветривании. С 3:45 началось снижение концентрации СО2 с некоторой задержкой (достигла рекомендуемых 500 ррм значений в 04:53). При этом снижение показателя до 700 ррм произошло менее чем за 10 минут. В утренние и дневные часы уровень СО2 в помещении практически не колебался. Вечерний пик (с 15:00 до 16:00) показателя концентрации СО2 обусловлен включением газовой колонки и приготовлением пищи, в 16:02 было полностью открыто окно на проветривание. Температура в помещении при этом колебалась от 22,5 до 26,3 °С. Влажность составляла от 41,7 до 63,9%.
Рис. 4. Изменение концентрации СО2 в квартире с минутной регистрацией в режиме накопления и проветривания, где ось Оу — уровень концентрации СО2 в ррм, а ось Ох — время проведения эксперимента
Измерения проводились при микропроветривании помещения на протяжении всего эксперимента. По графику, представленному на рис. 4, видно, что нарастание уровня СО2 наблюдается в ночные часы (с 0:40 до 3:40). После достижения максимального значения показателя — 820 ррм — начинается спад концентрации углекислого газа в помещении. После достижения уровня 480 ррм наблюдается стабилизация показателя. Стоит отметить, что максимальные значения концентрации СО2 при микропроветривании в ночные часы все же ниже, чем при аналогичном измерении уровня СО2 в отсутствие проветривания (разница в значениях составляет приблизительно 400 ррм).
Рис. 5. Изменение концентрации СО2 в квартире при микропроветривании помещения, где ось Оу — уровень концентрации СО2 в ррм, а ось Ох — время проведения эксперимента
На рис. 5 показаны данные по содержанию СО2 в помещении с микропроветриванием и одним человеком в этом помещении. Эксперимент производился с 1:51 до 12:46. Концентрация углекислого газа на протяжении всего измерительного периода практически не изменяется. Влажность за период эксперимента в помещении составляла 54–57%, разница между внутренней и наружной температурой — не более 5 °С. В помещении температура колебалась от 23,6 до 24,5 °С.
По результатам проведенных экспериментов можно сделать следующие выводы:
Концентрация углекислого газа в жилом помещении при рассматриваемых размерах постройки и созданных для эксперимента условиях нарастает не до бесконечности, а максимальных значений уровень СО2 достигает в непроветриваемых помещениях.
Нарастание СО2 во времени нелинейно по экспоненте, падение СО2 также нелинейно.
Полное проветривание без принудительной вентиляции происходит более чем за час, проветривание до приемлемого уровня — за 10 минут. При этом увеличение концентрации СО2 в жилом помещении после полного проветривания происходит за три и более часов.
Проветривание жилого помещения в режиме «час через три» способно поддерживать уровень СО2 в воздухе на приемлем уровне.
Литература
ГОСТ 8050-85. Двуокись углерода газообразная и жидкая. Технические условия.
Стандарт EN 13779:2004. Ventilation for non-residential buildings — Performance requirements for ventilation and room-conditioning systems.
D. S. Robertson. The rise in the atmospheric concentration of carbondioxide and the effects on human health. Med. Hypotheses, 2001, 56.
Статья посвящена оценке возможности и эффективности использования пассивного «холода» грунта для холодоснабжения зданий в климатических условиях Москвы (Россия). В статье представлены результаты численных экспериментов по оценке эффективности снижения пиковых нагрузок на систему холодоснабжения здания, оборудованного АГТСТ, за счет использования естественного холода скважин для пассивного холодоснабжения и аккумулирования холода летом в ночное (внепиковое) время с последующим потреблением его (холода) днем как в пассивном режиме, так и при включении тепловых насосов. В выводах по статье сформулированы основные принципы пассивного холодоснабжения при проектировании АГТСТ.
Ключевые слова:
Адаптивная геотермальная теплонасосная система теплоснабжения (АГТСТ). Геотермальная теплонасосная система теплоснабжения (ГТСТ). Теплонасосная установка (ТНУ). Термоскважины. Система сбора низкопотенциального геотермального тепла (система теплосбора). Теплопроводность. Энергетическая эффективность. Тепловой режим.
Введение
Сегодня геотермальные теплонасосные системы теплоснабжения (ГТСТ) уже широко применяются в регионах с умеренным климатом (Северная Америка, Европа и Китай [1]). Накопленный в последние десятилетия достаточно обширный мировой опыт практического применения геотермальных теплонасосных систем теплохладоснабжения (ГТСТ) выявил наиболее острые проблемы, стоящие на пути их массового внедрения, как за рубежом, так и в России.
Основной причиной, сдерживающей широкое применение ГТСТ, являются значительные первоначальные капитальными вложения в систему, обусловленные не только высокими вложениями в устройство термоскважин, непосредственно обеспечивающих извлечение низкопотенциального геотермального тепла, но и существенными затратами, связанными с увеличением электрической нагрузки здания и пропускной способности подведенных к зданию электрических сетей. В последнее время, в связи с потеплением климата, даже в условиях средней полосы России все большее значение приобретает летняя нагрузка на систему холодоснабжения здания, которая зачастую соизмерима, а иногда и превышает зимнюю отопительную нагрузку. В итоге в ряде случаев фактически летняя холодильная нагрузка здания определяет расчетную мощность электрического привода теплонасосных систем теплохладоснабжения. И именно затраты, связанные с увеличением электрической нагрузки здания и пропускной способности подведенных к зданию электрических сетей, становятся определяющими при принятии решения о применении ГТСТ.
В то же время для большинства регионов России характерны низкие естественные температуры грунта и продолжительный отопительный период, в связи с чем многолетняя эксплуатация ГТСТ в почвенно-климатических условиях большинства регионов РФ практически всегда связана с замораживанием/оттаиванием грунта, окружающего термоскважины, и аккумулированием в грунте значительного количества холода, который целесообразно использовать в летнее время для холодоснабжения здания. Именно на решение этой проблемы и оценку возможности и эффективности использования пассивного «холода» грунта для холодоснабжения зданий в геоклиматических условиях России направлены исследования, представленные в данной статье.
Особенностью представленных численных экспериментов была необходимость учета при моделировании процессов, сопровождающих эксплуатацию АГТСТ процессов замораживания/оттаивания поровой влаги в грунте, окружающем термоскважины. Изучение существующих моделей процессов теплопередачи в системе грунт-термоскважина [2, 3] показало практическое отсутствие общепризнанных алгоритмов решения этой задачи и, в особенности, учета в моделях процессов фазовых превращений поровой влаги в грунте. В итоге для проведения численных экспериментов был выбран разработанный в российской компании INSOLAR-INVEST «программный комплекс INSOLAR.GSHP.12. Программный комплекс INSOLAR.GSHP.12 позволяет моделировать тепловой режим грунтового массива системы сбора низкопотенциального геотермального тепла при многолетней эксплуатации АГТСТ [4], при этом комплекс учитывает, в том числе, и процессы фазовых превращений поровой влаги в грунте [5, 6].
Базовое здание
Рис. 1. Фотография базового экспериментального здания
В качестве базового здания при проведении численных экспериментов было принято реальное экспериментальное здание, расположенное по адресу: г. Москва, Большая Филевская ул., вл. 22, стр. 2. Общая площадь здания — 278 кв. м. Здание имеет три этажа. Форма и план экспериментального здания в виде улитки (рис. 1). Фактическое удельное энергопотребление дома на нужды отопления и вентиляции по результатам инструментальных измерений 55 кВтч/кв. м в год, класс энергоэффективности A++. Дом оснащен системами жизнеобеспечения, использующими низкопотенциальное тепло грунта, атмосферного воздуха, а также имеет эффективную теплозащиту наружных ограждающих конструкций. Дом подключен к городским электрическим сетям и водопроводу. Подключение к городским тепловым сетям отсутствует. На экспериментальном доме установлена теплонасосная система теплохладоснабжения, в основу которой положена разработанная ОАО «ИНСОЛАРИНВЕСТ» принципиально новая научная концепция «адаптивных» геотермальных теплонасосных систем теплохладоснабжения (ГТСТ) зданий, предполагающая максимальную гармонизацию графиков энергетических нагрузок объектов теплохладоснабжения с энергетическими возможностями ГТСТ, и обеспечивает как минимум двукратное снижение дополнительной пиковой электрической нагрузки объекта от привода ГТСТ. В качестве источников низкопотенциальной тепловой энергии для испарителей ГТСТ используется грунт поверхностных слоев Земли в комбинации с наружным атмосферным воздухом и вентиляционные выбросы дома [7].
Основные технические характеристики базового экспериментального здания приведены в табл. 1
Таблица 1. Технические характеристики базового экспериментального здания
Площадь экспериментального базового здания 278 кв. м
Наименование наружной ограждающей конструкции
Приведенное сопротивление теплопередаче R, м2x°С/Вт
Площадь, кв. м
Наружные стены
3,7
210
Пол 1-го этажа
4,5
122
Покрытие
4
170
Окна
0,8
36
Витраж
0,6
40
Численные эксперименты
Рис. 2. Изменение температуры теплоносителя системы сбора низкопотенциального тепла грунта в течение 1, 3 и 5 лет эксплуатации ГТСТ
Численные эксперименты проводились для базового здания, описанного в разделе 1, оснащенного АГТСТ. Ограждающие конструкции и технические характеристики базового здания приведены в таблице 1 и при проведении численных экспериментов не изменялись. Изменялись только режимы эксплуатации и, соответственно, нагрузки на инженерные системы зданий.
Численные эксперименты
Рис. 3. Изменение размеров ледяной линзы, намораживаемой вокруг термоскважины (ось абсцисс — время в месяцах, ось ординат — радиус намерзающей линзы, м)
Численные эксперименты проводились для базового здания, описанного в разделе 1, оснащенного АГТСТ. Ограждающие конструкции и технические характеристики базового здания приведены в таблице 1 и при проведении численных экспериментов не изменялись. Изменялись только режимы эксплуатации и, соответственно, нагрузки на инженерные системы зданий.
Численные эксперименты проводились для климатических условий г. Москвы. Расчетные параметры наружного воздуха принимались в соответствии с СП 131.13330.2012 «СНиП 23-01-99* Строительная климатология»:
— летний период — расчетная температура наружного воздуха +26,3 °С по сухому термометру, энтальпия 56,8 кДж/кг (при относительной влажности 56%).
Рис. 4. Коэффициенты трансформации энергии в ГТСТ на 5-й год эксплуатации
В качестве типового климатического года был выбран 2013 год как наиболее близкий к году с показателями, осредненными за последние 30 лет.
При проведении численных экспериментов рассматривались варианты АГТСТ базового здания в различных конфигурациях, использующих естественный холод термоскважин для пассивного холодоснабжения и аккумулирования холода летом в ночное (внепиковое) время с последующим потреблением его (холода) днем как в пассивном режиме, так и при включении тепловых насосов.
Рис. 5. Изменение температуры теплоносителя системы сбора низкопотенциального тепла грунта в течение 1, 3 и 5 лет эксплуатации АГТСТ
3.1. Численный эксперимент № 1. Вариант ГТСТ базового здания с использованием теплонасосного оборудования в летнее время в реверсивном режиме с воздушным охлаждением конденсатора и сбросом тепла в атмосферу
Численный эксперимент № 1 фактически является базовым вариантом конфигурации АГТСТ, в сравнении с которым проводилась оценка эффективности различных конфигураций АГТСТ, использующих естественный холод термоскважин для пассивного холодоснабжения и аккумулирования холода.
Рис. 6. Изменение размеров ледяной линзы, намораживаемой вокруг термоскважины (ось абсцисс — время в месяцах, ось ординат — радиус намерзающей линзы)
Для покрытия холодильных нагрузок здания в летнее время (июнь-август) в этом эксперименте не использовался грунт. Мощность установленного электрооборудования определялась как сумма электрических мощностей теплонасосного оборудования + пикового электродоводчика + циркуляционных насосов, вентиляторов и пр. Горячее водоснабжение дома отсутствовало.
На рис. 2 приведены графики изменения температур теплоносителя на входе (самая холодная точка) в систему сбора низкопотенциального геотермального тепла в течение 1, 3 и 5 лет эксплуатации АГТСТ, а на рис. 3 изменение размеров ледяной линзы, намораживаемой вокруг термоскважины.
Рис. 7. Коэффициенты преобразования энергии (СОР) в АГТСТ на 5-й год эксплуатации
Анализируя диаграммы и графики, представленные на рис. 3 и 4, можно заметить, что в этой конфигурации АГТСТ с каждым годом эксплуатации температура теплоносителя и, соответственно, грунта снижается и к концу марта 5-го года эксплуатации минимальная температура теплоносителя в системе сбора тепла грунта достигает -24 оС. Эта ситуация, в свою очередь, приводит к образованию вокруг термоскважин ледяных линз, которые в летнее время года уменьшаются в размерах, но не оттаивают полностью и к концу марта 5-го года эксплуатации достигают в диаметре 1–1,2 м. Результатом этой ситуации являются сравнительно невысокие коэффициенты преобразования энергии (СОР) в АГТСТ на 5-й год эксплуатации, значения которых представлены на рис. 4. Очевидно, что «холод», аккумулированный в ледяных линзах, может быть эффективно использован в летнее время года для пассивного холодоснабжения.
В табл. 2 приведены результаты эксперимента № 1. В летнее время года холодоснабжение здания осуществляется от теплонасосного оборудования, хладоресурс грунта не используется.
Таблица 2.
Результаты эксперимента № 1
Мощность установленного электрооборудования (ТНУ + доводчики + циркуляционные насосы), Wyst
5,86 кВт
Расход электрической энергии (за 5-й год эксплуатации) на ГТСТ (отопление), Ws
17397,15 кВт·час
Расход электрической энергии (за 5-й год эксплуатации) на ГТСТ (холодоснабжение), Whol
1117 кВт·час
3.2. Численный эксперимент № 2. Вариант ГТСТ базового здания с пассивным использованием «холода», аккумулированного в зимний период в термоскважинах, для холодоснабжения здания в летнее время года
Рис. 8. Температура наружного воздуха в мае
В численном эксперименте № 2 исследовалась эффективность пассивного использованием «холода», аккумулированного в зимний период в термоскважинах, для холодоснабжения здания в летнее время года. Для покрытия холодильных нагрузок здания в летнее время (июнь-август) в этом эксперименте использовался грунт. Мощность установленного электрооборудования определялась как сумма электрических мощностей теплонасосного оборудования + пикового электродоводчика + циркуляционных насосов, вентиляторов и пр. Горячее водоснабжение дома отсутствовало.
На рис. 5 приведены графики изменения температур теплоносителя системы сбора низкопотенциального тепла грунта в течение 1, 3 и 5 лет эксплуатации АГТСТ, а на рис. 6 изменение размеров ледяной линзы, намораживаемой вокруг термоскважины.
Рис. 10. Температура теплоносителя на входе-выходе системы сбора низкопотенциального геотермального тепла в июне при пассивном холодоснабжении за счет естественного холода грунта без включения теплонасосного оборудования
Анализируя графики, можно заметить, что в этом эксперименте к началу каждого нового отопительного сезона грунт практически успевает восстановить свой температурный потенциал и даже к началу 6-го отопительного сезона находится в зоне положительных температур. Потребление «холода» из грунта и связанный с этим «сброс» тепловой энергии в грунт, в свою очередь, приводят к полному оттаиванию образовавшихся в зимнее время вокруг термоскважин ледяных линз. Результатом этой ситуации являются повышенные (в сравнении с экспериментом № 1) коэффициенты преобразования энергии (СОР) в АГТСТ на 5-й год эксплуатации, значения которых представлены на рис. 7.
В Таблица3 приведены основные результаты эксперимента № 2. В летнее время года холодоснабжение здания осуществляется от грунта без включения теплонасосного оборудования — в этот период работают только циркуляционные насосы системы сбора низкопотенциального тепла грунта и системы холодоснабжения здания.
Расход электрической энергии (за 5-й год эксплуатации) на ГТСТ (отопление), Ws
17 009,25 кВт·час
Расход электрической энергии (за 5-й год эксплуатации) на ГТСТ (холодоснабжение), Whol
215 кВт·час
3.3. Численный эксперимент № 3. Вариант ГТСТ базового здания с использованием естественного холода термоскважин для пассивного холодоснабжения и аккумулирования холода летом в ночное время с последующим потреблением днем как в пассивном режиме, так и при включении тепловых насосов
Рис. 10. Температура теплоносителя на входе-выходе системы сбора низкопотенциального геотермального тепла в июне при пассивном холодоснабжении за счет естественного холода грунта без включения теплонасосного оборудования
В численном эксперименте № 3 исследовалась эффективность использованиея естественного холода термоскважин для пассивного холодоснабжения и аккумулирования холода летом в ночное время с последующим потреблением днем как в пассивном режиме, так и при включении тепловых насосов. Мощность установленного электрооборудования определялась как сумма электрических мощностей теплонасосного оборудования + пикового электродоводчика + циркуляционных насосов, вентиляторов и пр. Горячее водоснабжение дома отсутствовало. При проведении эксперимента рассматривался температурный режим теплоносистеля системы сбора низкопотенциального геотермального тепла в наиболее теплые месяцы года: май-июль. Ход температур наружного воздуха в мае рассматриваемого типового климатического года приведен на рис. 8.
Рис. 11. Температура теплоносителя на входе-выходе системы сбора низкопотенциального тепла грунта в самые теплые сутки года (28 июня) при пассивном холодоснабжении за счет естественного холода грунта без включения теплонасосного оборудования
На рис. 9, 10 приведены графики изменения температур теплоносителя на входе-выходе системы сбора низкопотенциального геотермального тепла грунта в мае и июне при использовании естественного холода грунта для пассивного холодоснабжения здания. В этом случае теплонасосное оборудование не включалось и холодоснабжение здания полностью обеспечивалось за счет естественного холода грунта.
Анализ представленных на рисунках графиков показывает, что в климатических условиях Московского региона холодоснабжение базового здания в полном объеме может быть обеспечено за счет естественного холода грунта. Как видно из Рис.11 даже в самые теплые сутки года температура теплоносителя системы теплосбора не поднимается выше 17 оС, что вполне достаточно для обеспечения холодом системы кондиционирования здания.
На рис. 12–15 представлены графики изменения температуры теплоносителя системы теплосбора при пассивном использовании холода, аккумулированного в грунте, при включенном теплонасосном оборудовании.
Рис. 12. Температура теплоносителя на входе-выходе системы сбора низкопотенциального геотермального тепла в 1-й, 3-й и 5-й годы эксплуатации при пассивном холодоснабжении с включением теплонасосного оборудования
В этом варианте, как мы видим из представленных на рисунках графиков, весьма эффективно используется «холод», выработанный теплонасосным оборудованием в зимнее время и саккумулированный в грунте. Как мы видим из рисунков 14–15, температура теплоносителя, подаваемого в систему кондиционирования здания, даже в самое теплое время года не превышает 12 оС. [8] Очень важным обстоятельством является тот факт, что, как видно из графиков, в ночное время при сбросе нагрузки на систему кондиционирования происходит «зарядка холодом» системы теплосбора. Холод поступает, или «подкачивается», из слоев грунта, окружающих термоскважину. Этот эффект явно выражен на представленных на рисунках-графиках. При необходимости этот эффект может быть усилен за счет включения теплонасосного оборудования в ночное время и ускоренной «подзарядки» холодом системы теплосбора.
Рис. 13. Температура теплоносителя на входе-выходе системы сбора низкопотенциального геотермального тепла в мае при пассивном холодоснабжении с включением теплонасосного оборудования
Заключение
Исследования, представленные в данной статье, позволили сформулировать следующие принципы пассивного использования «холода» грунта при проектировании АГТСТ:
1. При проектировании АГТСТ необходимо максимально использовать пассивное холодоснабжение за счет холода, саккумулированного в грунте в зимнее время, что не только позволяет обеспечить холодоснабжение здания без включения теплонасосного оборудования, но и существенно повышает его (здания) энергоэффективность и обеспечивает экономию энергии около 7%.
Рис. 14. Температура теплоносителя на входе-выходе системы сбора низкопотенциального геотермального тепла в июне при пассивном холодоснабжении с включением теплонасосного оборудования
2. При использовании в летнее время года холода, саккумулированного в грунте системы теплосбора, необходимо стремиться к его пассивному использованию в системе кондиционирования здания без включения теплонасосного оборудования, при этом в случае недостаточности хладоресурса грунта теплонасосное оборудование целесообразно включать в ночное время (при льготных тарифах на электроэнергию) для «подзарядки холодом» системы теплосбора.
Рис. 15. Температура теплоносителя на входе-выходе системы сбора низкопотенциального геотермального тепла в июле при пассивном холодоснабжении с включением теплонасосного оборудования
3. Использование холода, саккумулированного в грунте системы теплосбора, для непосредственного охлаждения в летнее время года конденсаторов теплонасосного оборудования нецелесообразно.
4. При проектировании ГТСТ должен учитываться эффект «подкачки холода» из слоев грунта, окружающих термоскважину, наблюдающийся в ночное время при сбросе нагрузки на систему кондиционирования. При необходимости этот эффект может быть усилен за счет включения теплонасосного оборудования в ночное время и ускоренной «подзарядки» холодом системы теплосбора.
Литература
Lund J. W., Freeston D. H., Boyd T. L. Direct utilization of geothermal energy 2010 worldwide review. Geothermics, 40 (2011). 159–180.
Yang H., Cui P., Fang Z. Vertical-borehole ground-coupled heat pumps: A review of models and systems, Applied Energy, 87 (2010). 16–27.
Васильев Г. П. «Использование низкопотенциальной тепловой энергии грунта поверхностных слоев земли для теплохладоснабжения здания». Теплоэнергетика. 1994. № 2. С. 31–33
Васильев Г. П. «Теплохладоснабжение зданий и сооружений с использованием низкопотенциальной тепловой энергии поверхностных слоев Земли» (Монография). Издательский дом «Граница». М., «Красная звезда» — 2006. — 220 с.
G. P. Vasilyev, N. V. Peskov, M. M. Brodach, V. A. Lichman, A. N. Dmitriev,V. F. Gornov, M. V. Kolesova «Estimation of the thermal effect of ground moisture condensation on heat transfer outside a geothermal borehole» Energy and Buildings 82 (2014). 795–798 doi:10.1016/j.enbuild.2014.07.068
G. P. Vasilyev, N. V. Peskov, V. A. Lichman, V. F. Gornov, M. V. Kolesova, «Simulating the thermal operating conditions in the thermal wells of ground source heat pump heat supply systems. Part I: accounting the porous moisture freezing processes in soil» Thermal Engineering, 2015, Vol. 62, No. 8, pp. 547–552. DOI:10.1134/S004060151508008X
Васильев Г. П. «Результаты натурных исследований теплового режима экспериментального энергоэффективного дома» Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. 2002. № 6. С. 3.
Васильев Г. П., Тимофеев Н. А. «Энергетический потенциал вентиляционных выбросов жилых зданий В Москве». АВОК: Вентиляция, отопление, кондиционирование воздуха, теплоснабжение и строительная теплофизика. 2010. № 1. С. 24–32
