Входные двери общественных зданий защищают завесами смесительного типа. По определению, эти завесы не предназначены для противодействия втекающему с улицы воздуху. От них требуется своими нагретыми струями интенсивно перемешивать холодный втекающий поток, доводя температуру смеси до нормированной величины.
Есть две причины, объясняющие необходимость именно завес смесительного типа для защиты общественных зданий. Первая состоит в том, что разность давлений в проемах многоэтажных общественных зданий часто многократно превышает разность давлений в воротах промышленных объектов. Защита шиберующего типа потребовала бы настолько высокоскоростных струй, что в конструкции завес пришлось бы использовать высоконапорные вентиляторы, а это привело бы не только к утрате комфортных условий, но и к росту всех видов затрат.
Вторая причина как раз и была связана с обеспечением комфортного ощущения проходящего сквозь струю человека. Согласно [1], скорость струи на выходе из завесы в общественных зданиях не должна превышать 8 м/с. Характерно, что это ограничение возникло на заре применения завес в СССР, когда в универмагах и других общественных заведениях устанавливались преимущественно боковые завесы и проходящие люди во весь рост попадали непосредственно в зону начальной высокой скорости.
Широкое распространение в современных зданиях верхних завес снижает опасность попадания головы человека в зону высоких скоростей струи. Поэтому в большинстве случаев скорости струй могут быть повышены. В [2] при анализе проникновения струй верхних завес в сносящий поток было специально показано, что наращивание скорости благоприятно влияет на глубину проникновения как по преодолению противодействия архимедовых сил, так и по противодействию поверхностным силам сносящего потока.
Исходя из общих представлений, проникновение струи в сносящий поток не может не оказывать ему сопротивления. При том, что искривленная струя остается близкой по структуре к свободной затопленной [3] и, значит, модуль потока импульса вдоль струи не меняется, продольная составляющая потока импульса (в направлении струи на выходе из сопла) уменьшается до нуля. Этим определяется глубина проникновения изотермической струи в сносящий поток. В этом же проявляется силовое взаимодействие струи со сносящим потоком. Все вместе наводит на мысль о некотором «мягком» шиберующем действии струи, которое обычно не учитывается в расчетах. Здесь дана оценка эффекту «мягкого» шиберования. Показано, что во многих случаях учет эффекта позволит заметно уменьшить тепловую мощность завес.
Рис.1 Схема истечения боковой струи в сносящий поток в канале
Рассмотрим аэродинамику проникновения струи в сносящий поток на основе идеализированного течения в плоском канале постоянного сечения по [3] (раздел 2-4). Схема течения применительно к нашему случаю приведена на рис. 1. Струя, истекающая из стенки под углом α в сносящий поток, представлена как ядро постоянного массового расхода. Течение вне струи считается потенциальным. Струя на некотором удалении от сопла примыкает к стенке, образуя циркуляционную зону — «тело вытеснения», которое имеет форму эллипса. В соответствии с [3], расход в сечении 3 на рис. 1 равен сумме расходов сносящего потока через сечение 1 и расхода струи из сопла. Данная схема не учитывает ухода массы на всасывание завесой в реальной ситуации и связанное с этим понижение давления в области циркуляционной зоны и за ней. Однако, учитывая значительно меньшие скорости оттока в сравнении со скоростями u0, u21 и u20, можно не принимать во внимание этот эффект и применить схему даже к относительно просторному тамбуру.
В систему уравнений входят уравнения потоков импульса, Бернулли и расхода. Финальное расчетное выражение, связывающее максимальную разность давлений ‹ΔР› = 2(Р1 – Р2)/ρu12 с отношением скоростей струи и сносящего потока u0/u1 имеет вид
где F̅= Fк/Fстр = Hк/bстр = Нпр/bо — отношение высоты проема к ширине сопла завесы. Угол α > 90° — направление струи навстречу сносящему потоку, α < 90° — направление струи по потоку. В [3] разность давлений формируется как результат сносящего потока в канале со скоростью u1 и поперечно втекающей струи со скоростью u0. Применительно к нашей задаче разность давлений в проеме ΔРпр формируется гравитационной разностью и ветровой нагрузкой и рассчитывается по [4]. Для простоты примем, что вход в здание состоит из двойных дверей, ведущих в вестибюль (тамбур отсутствует). В этом случае, в отличие от схемы [3], можно принять, что после понижения давления от Р1 до Р2 не происходит даже его частичного восстановления за пределами циркуляционной зоны, поскольку кинетическая энергия ускорившегося сносящего потока полностью рассеивается. Поэтому принимается равенство ΔРпр = (Р1 – Р2). По выражению (1) отыскивается ряд значений ‹ΔP› в зависимости от отношения скоростей (u0/u1). Далее вычисляется ряд скоростей
u1 = [2ΔРпр /(ρ‹ΔP›)]0,5 (2)
и расходы сносящего потока (разумеется, без учета коэффициента расхода μпр, но с учетом коэффициента К2 для сопоставимости с расчетом по [4])
Gпр = ρ К2 (HB)пр u1. (3)
По величине u1 вычисляются скорости струи u0 и расходы завесы, обеспечивающие данный шиберующий эффект. В выражениях (2) и (3) плотность следует принимать при наружной температуре ρн. Из условия подогрева втекающего сносящего потока от исходной температуры до заданной температуры смеси рассчитывается тепловая мощность завесы Qз и разность температур подогрева расхода завесы Δtз. Кроме того, важной характеристикой является глубина проникновения изотермической струи в сносящий поток, которая определяется по выражению [3]
L/Hпр = 1 – (1 + ‹ΔP›)-0,5.(4)
В табл. 1 и 2 представлены результаты расчетов для разности давлений в проеме 10 Па. Высота дверей 2,5 м, ширина 1,5 м. Температура воздуха на улице принята -30 °С, в помещении 24 °С, температура смеси 12 °С, коэффициент расхода для двойных дверей μпр = 0,65, коэффициент К2 = 0,17 (500 человек в час). Ширина сопла завесы принята bo= 0,06 м, соответственно, параметр F̅ = 1,5/0,06 = 41,7. Поток импульса в проеме от действия разности давлений Iпр = ΔPпрFпр = 10*2,5*1,5 = 37,5 Н. Поток импульса предельного режима по [5] при угле струи к сносящему потоку α = 90° (или по [5] 0° к плоскости проема) I* = Iпр = 37,5 Н.
Прежде всего, из табл. 2 видно, что потоки импульса струй (завес) Iз во всех случаях меньше потока импульса предельного режима. Это подтверждает в целом смесительный характер защиты («беззащитный» режим с «мягким» шиберованием).
Таблица 1. Вспомогательные параметры
Параметр
Величина параметра
u0/u1
4
6
8
10
15
‹ΔP›
2,53
4,38
6,62
9,24
17,5
L/Hпр
0,47
0,57
0,64
0,69
0,77
Таблица 2. Параметры мягкого шиберования при ΔРпр = 10 Па
Параметр
Величина параметра
Расчет по [4]
u0/u1
4
6
8
10
15
—
u1, м/с
2,3
1,8
1,4
1,2
0,89
—
Gпр, кг/с
2,15
1,69
1,32
1,12
0,82
2,23
u0, м/с
9,3
10,6
11,5
12,2
13,3
8,0
Gз, кг/с
1,1
1,2
1,3
1,4
1,5
2,34
Qз, кВт
91
69
55
48
34
94
Δtз, °С
82
58
42
34
22
40
Iз, Н
9,8
12,6
14,8
16.7
20,0
18,7
Lt/Hпр
0,52
0,74
1,0
1,38
1,60
1,0
μпр/экв
0,62
0,48
0,38
0,32
0,24
0,65
Таблица 1 демонстрирует очевидное нарастание глубины проникновения изотермической струи в сносящий поток L/Hпр с ростом параметра u0/u1. В относительных величинах глубина не зависит от разности давления в проеме. В табл. 2 ясно просматриваются последствия мягкого шиберования при нарастании импульса завесы Iз (с одновременным ростом скорости струи u0): уменьшается расход втекающего сносящего потока Gпр, убывает тепловая мощность завесы Qз для подогрева втекающего потока от -30 °С до температуры смеси 12 °С. Убывает и эквивалентный шиберованию коэффициент расхода μпр = μэкв = u1/uтеор[4].
Расчет завесы смесительного типа традиционным способом [4] представлен в последнем столбце табл. 2. И расход завесы, и ее тепловая мощность по [4] значительно превосходят результаты, полученные с учетом мягкого шиберования.
Последняя строка табл. 2 иллюстрирует глубину проникновения неизотермической струи в холодный поток Lt/Нпр, вычисленную по [2]:
Та — температура окружающего воздуха, равная температуре сносящего потока, К;
ΔТо = Тз – Та;
ΔТз = Тз – Твс — величина подогрева воздуха от температуры всасывания Твс = Тсм до Тз;
Iз = ρouo2bo — начальный поток импульса струи, Н;
ρo — плотность воздуха при температуре Тз, кг/м3;
uo — скорость струи в сопле, м/с;
bo — ширина сопла, м, протяженность сопла вдоль размаха принята равной 1 м;
Qз = ρouoboCpΔT — тепловая мощность подогрева струи на ΔТ градусов, Вт.
Лишь в первых столбцах табл. 2 действие архимедовых сил делает глубину проникновения струи в поток сопоставимой с действием поверхностных сил по табл. 1. В остальных случаях поток импульса струи при мягком шиберовании хорошо преодолевает противодействие архимедовых сил Lt/Hпр ≥ 1 и превалирующим противодействием остаются поверхностные силы, ограничивающие глубину струи величиной L/Hпр = 0,47 – 0,77. Платой за это, как и следовало ожидать, являются повышенные скорости струи: от 11 до 13 м/с. Кроме того, в средней части табл. 2 оказывается большим подогрев потока в завесе (40–60 °С), однако с увеличением потока импульса (скорости струи) требуемый подогрев снижается до вполне приемлемых величин порядка 20 °С. Если бы в расчете завесы по [4] подогрев был принят не 40 °С, а, как часто бывает в современных моделях, 20 °С, то расход завесы пришлось бы удвоить. При ширине сопла, принятой в данном примере 0,06 м, и скорости в сопле 8 м/с для расчетной защиты проема по [4] требуется 2,5 полутораметровые завесы. Удвоение расхода привело бы к пяти завесам или к значительному увеличению ширины сопла и остальных габаритных размеров завесы.
В связи с такими результатами необходимо оценить величину среднемассовой скорости на уровне головы человека, т. е. в данной ситуации на расстоянии от сопла завесы около 0,7 м. Для плоских струй скорость на оси определяется по выражению [6]
vm = 2,69ξ/√(L/b0)u0 = 0,63u0, (7)
где ξ = 0,8 — коэффициент качества струи [6]; L = 0,7 м; b0 = 0,06 м, а среднемассовая скорость струи, как известно, равна
vср = 0,7vm = 0,44u0. (8)
Из (7) и (8) следует, что даже при самой высокой скорости в сопле 13,3 м/с средняя скорость потока, омывающего голову проходящего сквозь струю человека, не превышает 4 м/с. Даже при ширине сопла 0,12 м эта скорость остается на уровне 8 м/с.
Сделанные оценки открывают дорогу не только для внесения уменьшающих мощность корректировок в выбор завес смесительного типа по [4], но и в саму организацию защиты входных дверей общественных зданий, а также в создание новых конструкций смесительных завес с повышенными скоростями струи.
Для случая относительно удлиненного тамбура легко ввести поправку в предыдущие расчеты. Разность давлений в проеме рассматривается как сумма двух разностей: в наружных дверях с мягким шиберованием ΔР1 и во внутренних дверях ΔР2 с коэффициентом расхода μ2
ΔPпр = ΔР1 + ΔР2. (9)
Задавая в нулевом приближении ΔР1 = (0,8 – 0,9) ΔPпр и рассчитав u1 по (1) – (2), по обычной формуле отыскиваем ΔР2 = (ρсм/2)(u1ρн/μ2ρсм)2, сюда уже входит коэффициент расхода μ2 для внутренних дверей тамбура. Методом приближений находится решение, удовлетворяющее равенству (9).
Следует принять во внимание, что в отличие от схемы плоской задачи [3], использованной здесь для оценки эффекта шиберования, реальная завеса имеет конечную длину, обычно равную ширине проема. Поэтому полученные результаты, строго, применимы для тамбура или вестибюля шириной, равной или чуть больше ширины проема. Если вестибюль и тамбур заметно превосходят по ширине проем, то боковые струи втекающего потока устремляются в открытое пространство в обе стороны из-за, а также из-под отклоненной струи. Эффект такой деформации ясно ощущается, если в холодный день встать сбоку на некотором удалении от открытой двери, защищенной верхней завесой. Омывающий поток воздуха будет заметно холоднее, чем если перейти на том же расстоянии на ось симметрии струи. Понятно, что возможность растекания потока в стороны около струи завесы уменьшает глубину проникновения струи в сносящий поток и ослабляет эффект шиберования. В связи с этим ниже введены поправки на результаты, полученные по схеме плоской задачи.
Покажем сначала, как можно учесть эффект мягкого шиберования при использовании завес с фиксированными характеристиками из каталогов производителей. Заданными параметрами считаются следующие:
— по проему: высота Нпр, ширина Впр, разность давлений в проеме ΔPпр по [4], коэффициент расхода (в зависимости от типа тамбура и количества дверей) μпр, отдельно коэффициент расхода внутренних дверей тамбура μ2, коэффициент К2 (в зависимости от количества человек, проходящих через дверь по [4]),
— по завесе: расход воздуха Gз, длина завесы Lз, ширина сопла bз = b0, скорость в сопле vз = u0, подогрев воздуха в завесе Δtз при заданной тепловой мощности Qз.
Дадим сначала оценки для случая, когда ширина тамбура или вестибюля почти не отличается от ширины проема на длине не менее ширины проема.
Безразмерную разность давлений для проема с мягким шиберованием ‹ΔР› = 2(Р1 – Р2)/ρнu12 с учетом (9) перепишем в виде ‹ΔР› = 2 (ΔP1 /ρнu02)(u0/u1)2, подставим его в выражение (1) и после преобразований получим уравнение для определения отношения скоростей
где ΔP̅ = ΔP /ρнu02. Здесь ΔР = ΔРпр для вестибюля и ΔР = ΔР1 для тамбура. По заданным параметрам из (10) рассчитывается u0 /u1.
Далее по скорости струи в завесе определяется скорость u1 и расход втекающего в двери потока по (3). В (3), как было сказано, не входит коэффициент расхода — сопротивление втеканию сносящего потока струей учитывается решением (1), однако введен коэффициент К2. Можно вычислить эквивалентный сопротивлению коэффициент расхода по выражению
μ1 = Gпр[K2Fпр(2ΔР1ρн)0,5]-1. (11)
В случае тамбура в нулевом приближении задается ΔР1= (0,8 – 0,9) ΔPпр и после расчета параметров проверяется величина разности давлений
ΔР2 = (ρсм/2)(u1ρн/μ2ρсм)2. (12)
Методом приближений отыскивается решение, удовлетворяющее равенству (9).
Из теплового баланса находится температура смеси tсм при заданной тепловой мощности Qз.
В табл. 3 представлены параметры вариантов завес для защиты проема размерами 2,5*1,5 м, при наружной температуре -30 °С, внутренней 24 °С. Проход оборудован тамбуром с двойными дверями, коэффициент расхода по [4] μпр = 0,65, коэффициент К2 = 0,17 (500 человек в час). Коэффициент расхода для одинарной внутренней двери тамбура принят μ2 = 0,8.
Таблица 3. Параметры вариантов завес (длина завес 1,5 м)
Вариант завесы
Расход
кг/с (м3/час)
Ширина сопла
м
Скорость струи
м/с
Поток импульса
Н
Тепловая мощность
кВт
Подогрев струи в завесе °С
1
1,5(4500)
0,1
8,0
12,0
37,7
25
2
1,5(4500)
0,1
8,0
12,0
45,0
30
3
Установка двух завес варианта 1, вторая чисто смесительная
4
Установк Установка двух завес варианта 2, вторая чисто смесительная
В табл. 4 представлены результаты расчетов завес из табл. 3 по [4] и по выражениям (10)–(12). Для сокращенного обозначения расчетного варианта защиты введены следующие индексы:
[4] — нормативный расчет параметров защиты по [4] для прямого прохода и
двойных дверей,
Д/МШ — двойная дверь в вестибюль без тамбура, расчет защиты с мягким шиберованием,
Т/МШ — тамбур, прямой проход, защита с мягким шиберованием.
Таблица 4. Результаты расчета завес в узких тамбурах и вестибюлях
Параметр
Величина параметра при защите по варианту табл. 3
2
4
2
2
1
3
1
1
ΔPпр, Па
10
7
Iпр = I*, Н
37,5
26,3
Индекс защиты
[4]
Д/МШ
Т/МШ
[4]
Д/МШ
Т/МШ
uпр = u1,м/с
3,7
1,92
1,31
3,1
1,0
0,76
Gпр, кг/с
2,23
1,78
1,21
1,86
0,98
0,70
θ = Gз/Gпр
0,67
0,67*2
0,84
1,24
0,81
0,81*2
1,62
2,14
tсм, °С
-10
+10
-4,8
+7,2
-10
+10
+ 10
+23
Эквивален-тный μ1
—
0,55
0,39
—
0,32
0,26
Прежде всего из табл. 3 и 4 видно, что поток импульса завес всюду меньше потока импульса критического режима. Во всем исследованном диапазоне разности давлений в проеме для достижения приемлемой температуры смеси в тамбуре расчет по [4] приводит к необходимости установки двух завес, имея в виду удвоенную тепловую мощность при нормальном подогреве потока в завесе (25–30) °С. В то же время учет мягкого шиберования в тамбуре (Т/МШ) позволяет ограничиться для защиты одной завесой, причем для разности давлений 7 Па завеса по варианту 1 табл. 3 даже избыточна. Наконец, последняя строка табл. 4 в столбцах, относящихся к Д/МШ и Т/МШ, иллюстрирует шиберующий эффект через величину эквивалентного коэффициента расхода по (11). Очевидно, что мягкое шиберование в тамбуре формирует большее сопротивление протеканию холодного потока, чем в случае такой же защиты без тамбура.
Теперь дадим оценки ослабления эффекта шиберования в просторных вестибюлях и тамбурах. Поток наружного воздуха шириной Впр оттесняется струей завесы не только вниз под струю, но и в обе стороны в открытые сечения, по бокам, отмеченные на рис. 1 штриховкой. Площадь этих сечений складывается из одной четверти разности площадей охватывающего эллипс прямоугольника и самого эллипса, а также площади прямоугольника под струей на длине большой полуоси эллипса:
Fбок = 2[(bL – πbL/4) + b(Hпр – L)], (13)
где b — большая полуось эллипса; L — глубина проникновения струи — малая полуось.
Условно можно представить, что боковые сечения увеличивают площадь проема для прохода наружного потока. Примем для максимальной оценки условную площадь, равной
Fˇпр = Fпр + Fбок. (14)
Поскольку длина большой полуоси эллипса по [3] может меняться в широком диапазоне, далеком от реалий нашей задачи, ограничим протяженность боковых сечений размером глубины проникновения струи, т. е. положим b = L. После преобразования (13) с учетом (4) и подстановки результата в (14) получим выражение для параметра F̅ максимальной оценки
Расчет выполняется в следующей последовательности:
— по заданным параметрам завесы и условий защиты по выражениям (9)–(12) находится отношение uo/u1 в нулевом приближении для реального параметра F̅,
— определяется скорость u1 (по заданной скорости струи uo),
— вычисляется ‹ΔP› = 2ΔP1/ρ u12 для тамбура или ‹ΔP› = 2ΔPпр/ρ u12 для вестибюля,
— по (15) вычисляется условный параметр F̅ˇ,
— по (10) отыскивается отношение (uo/u1) в первом приближении при подстановке в (10)
F̅ˇ вместо F̅,
— методом приближений решается система уравнений (10) и (15) и отыскивается ее решение
(uo/u1) при условии выполнения равенства (9),
— вычисляется расход Gпр и температура смеси tсм.
Результаты расчетов для вариантов табл. 4 представлены в табл. 5. Как видно из сравнения табл. 4 и 5, максимальная оценка растекания в стороны втекающего наружного потока при мягком шиберовании увеличивает его расход до двух раз и понижает температуру смеси настолько, что эффект шиберования сводится на нет.
Сделаем иную оценку трехмерному растеканию потока по струе завесы. Воспользуемся опытными данными по сопротивлению одинарной вытяжной створки верхнего подвеса [7] (диаграмма 4-23, стр. 180). При этом вытяжное окно рассматривается как проем, а сама створка как отклоненная струя верхней завесы. Створка имеет длину, ширину и угол отклонения. Примем для оценки, что отношение длины к ширине равно единице, угол отклонения в диапазоне 20–40°. Этому соответствует коэффициент сопротивления створки в диапазоне ζ = 6,3 – 3,3. Расчет параметров проводился в той же последовательности методом приближений до выполнения равенства (9). Результаты расчета представлены в табл. 6.
Из сравнения табл. 5 и 6 видно, что моделирование эффекта шиберования вытяжной створкой дает заметно лучшие результаты в сравнении с оценкой максимального ослабления эффекта. Однако модель вытяжной створки не учитывает некоторых важных особенностей реального течения в проеме, которые могли бы дать дополнительный положительный эффект.
Таким образом, даже с учетом мягкого шиберования в просторном (широком) тамбуре (табл. 5 и 6) одинарные завесы из табл. 3 не обеспечивают надлежащую защиту на заданные условия. В то же время последний столбец табл. 4 (узкий тамбур) показывает, что имеющаяся завеса избыточна для данных условий. Все эти результаты подчеркивают сложный, нелинейный характер зависимостей, исключающий на данной стадии простые количественные рекомендации и требующий проведения расчетов по каждому конкретному случаю.
Таблица 5. Оценка максимального ослабления эффекта шиберования при установке завес в просторных помещениях
Вариант по табл. 3
2
2
1
1
ΔPпр, Па
10
7
Индекс защиты
Д/МШ
Т/МШ
Д/МШ
Т/МШ
uпр=u1,м/с
3,3
1,79
2,18
1,29
Gпр, кг/с
3,05
1,65
2,02
1,19
Gпр /Gпр(по табл.4)
1,70
1,36
2,06
1,70
θ =Gз/Gпр
0,49
0,91
0,74
1,26
tсм, °С
-15,3
-2,7
-11,5
+1,5
Таблица 6. Оценка эффекта шиберования посредством вытяжной створки при установке завес в просторных помещениях
Вариант по табл. 3
2
2
1
1
ΔPпр, Па
10
7
Индекс защиты
Д/МШ
Т/МШ
Д/МШ
Т/МШ
uпр=u1,м/с
2,05
1,54
1,54
1,1
Gпр, кг/с
1,89
1,42
1,42
1,02
Gпр /Gпр(по табл.4)
1,06
1,17
1,45
1,46
θ =Gз/Gпр
0,79
1,05
1,06
1,48
tсм, °С
-6,3
+1,6
-3,5
+6,9
Выводы
Показано, что верхние завесы смесительного типа оказывают «мягкое» шиберующее воздействие на втекающий в двери поток. В наибольшей степени эффект воздействия проявляется при ширине тамбура или вестибюля, равной ширине проема.
Учет шиберующего эффекта в расчетах верхних завес позволяет уменьшить аэродинамическую и тепловую мощность завес в сравнении с нормативным расчетом [4].
Расширенный по отношению к проему тамбур или вестибюль заметно снижает эффект мягкого шиберования.
Целесообразно проектировать вход в здание без расширения прохода после проема на длине порядка ширины или высоты проема.
Увеличение скорости струи в разумных пределах на выходе из сопла верхней завесы оказывает положительное влияние на защиту и не ухудшает комфортное состояние проходящих через струю людей.
Полученные результаты не следует распространять на верхние завесы, удаленные от входных дверей.
Литература
Свод правил 60.13330.2012 «Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха».
Ю. Н. Марр. Аэродинамика верхних завес смесительного типа// Инженерные системы. АВОК-Северо-Запад. № 4. 2014.
Т. А. Гиршович. Турбулентные струи в поперечном потоке. М.: Машиностроение. 1993.
Справочник проектировщика. Внутренние санитарно-технические устройства. Часть 3. Вентиляция и кондиционирование воздуха. Книга 1. / В. Н. Богословский, А. И. Перумов, В. Н. Посохин и др. 4-е издание. М.: Стройиздат. 1992.
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.
И. Е. Идельчик. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. Издание 3-е, переработанное и дополненное. М.: Машиностроение. 1992.
Механическая очистка является одним из основных процессов осветления воды, при этом оно подразделяется на грубое или предварительное и полное или окончательное. Грубое осветление воды (процеживание) производится пропуском воды через различные сетки с целью задержания крупных плавающих частиц и отчасти взвешенных веществ, тогда как окончательная очистка/доочистка воды осуществляется через различные по форме и материалу перегородки (зернистая загрузка, пластины, патроны, картриджи) [1–3].
Для глубокой механической очистки воды чаще всего используют фильтры с зернистой загрузкой. По скорости фильтрования эти фильтры делятся на медленные (0,1–0,3 м/ч), скорые (5–12 м/ч) и сверхскоростные (25–100 м/ч) [1, 2].
В первой половине XX века на кафедре водоснабжения ЛИСИ Г. Н. Никифоров разработал напорные сверхскоростные осветлительные фильтры, которые осуществляли фильтрование воды со скоростью 50–100 м/ч (снижение содержания взвешенных веществ на 70–80%). Повышение скорости фильтрования резко сокращает продолжительность фильтроцикла. Применение фильтров со скоростями фильтрования свыше 50 м/ч стало возможным благодаря применению разработанной Г. Н. Никифоровым системы автоматизации работы этих фильтров [2].
В основу этой системы положено использование батареи (блоков) параллельно включенных обычных напорных фильтров, и они объединены единым гидравлическим режимом. Блок сверхскоростных фильтров поочередно промывается обратным током воды каждого фильтра из напорного трубопровода (кольца) фильтратом с заданным интервалом времени между окончаниями промывки одного фильтра и началом промывки очередного фильтра. При выходе одного фильтра на промывку оставшиеся в работе блоки должны обеспечивать подачу воды потребителю и на промывку фильтра [2].
В свою очередь в основу разработки автоматизированной установки для механической очистки воды УМВ-8 положена концепция, основанная на принципе сверхскоростного фильтрования. Также разработанная ООО «ТВЭЛЛ» установка должна обеспечивать эффективность очистки, надежность, компактность, экономичность, т. е. все требования, предъявляемые к современным очистным сооружениям и устройствам.
Рис. 1. Гидравлическая схема автоматизированной установки для механической очистки воды
Принцип сверхскоростного фильтрования, воплощенный в установке УМВ-8, отличается от конструкции фильтров, разработанных Г. Н. Никифоровым, только тем, что в качестве отдельных фильтров блока (модуля) в системе Г. Н. Никифорова использовались зернистые фильтры, тогда как в рассматриваемом случае каждый фильтр представляет собой фильтрующий патронный элемент (ФПЭ).
Установка УМВ-8 состоит из следующих элементов: каркас с защитным подрамником; корпус установки; коллектор подачи загрязненной воды; восемь ФПЭ; коллектор отвода промывной воды; коллектор отвода очищенной воды (фильтрата); шкаф управления установкой. Гидравлическая схема и общий вид автоматизированной установки УМВ-8 представлен на рисунках 1 и 2.
Рис. 2. Общий вид установки УМВ-8
Загрязненная вода поступает по трубопроводу к коллектору подачи загрязненной воды, который распределяет и подает под давлением эту воду внутрь ФПЭ. Загрязненная вода движется сверху вниз и при прохождении через ФПЭ в направлении «изнутри-наружу» очищается от механических примесей. Очищенная вода собирается внутри корпуса фильтра, который одновременно служит ресивером для поддержания давления внутри фильтра, далее из корпуса по коллектору отвода очищенной воды осуществляется выдача фильтрата.
В УМВ-8 применена технологическая схема каскадного фильтрования для каждого ФПЭ в отдельности. В ней установлено восемь ФПЭ объемного типа производства ООО «ТВЭЛЛ», которые расположены в корпусе двумя рядами (по четыре штуки в ряду) под углом 90° элементы одного ряда к элементам другого ряда.
Рис. 3. Фильтрующий патронный элемент
ФПЭ изготавливается методом пневмоэкструзии из волокнисто-пористого полиэтилена путем напыления слоя. ФПЭ представляет собой цилиндр с внутренним диаметром 38 мм и наружным диаметром 60+2 мм (рис. 3).
По мере загрязнения ФПЭ задерживаемыми из воды нерастворенными механическими примесями потеря напора в нем будет возрастать, а скорость фильтрования при неизменном напоре — снижаться. Для восстановления удерживающей способности ФПЭ необходимо осуществить его промывку (регенерацию).
Технологическая схема работы ФПЭ в режиме фильтрования и промывки представлена на рис. 4.
Рис. 4. Технологическая схема работы фильтрующего патронного элемента
Принцип работы схемы регенерации основан на использовании энергии потока воды, возникающего за счет падения давления до нуля при открытии сливного клапана во время промывки ФПЭ.
Для очистки ФПЭ применяются прямая и обратная промывки. Эффект прямой и обратной промывки возникает из-за создания зоны разрежения при открытии клапана промывки внутри ФПЭ (в нижней его части). Прямая промывка вкупе с обратной промывкой существенно дополняет принцип сверхскоростного фильтрования, что наряду с повышением эффективности регенерации ФПЭ приводит к экономии очищенной воды для регенерации. Для оптимизации процесса регенерации ФПЭ в конструкцию введен «завихритель», позволяющий гасить импульс поступающей в полость фильтра промывной воды и направляющий струю в тангенциальном направлении.
Прямая промывка фильтрующего элемента осуществляется потоком неочищенной воды, поступающим внутри ФПЭ из коллектора подвода загрязненной воды, осуществляется промывка внутренней фильтрующей поверхности. Очищенной водой, поступающей из корпуса установки, осуществляется обратная промывка ФПЭ по направлению «снаружи-внутрь». Сформировавшийся поток воды промывает весь объем ФПЭ и выносит шлам во внутренний поток с последующим сбросом его в систему канализации. Таким образом, ФПЭ промывается как неочищенной водой, так и фильтратом.
При таком режиме промывки падение производительности всей установки УМВ-8 незначительно, так как время промывки минимально (5 с) и определяется только техническими характеристиками применяемой арматуры, т. е. временем срабатывания сливного электромагнитного клапана.
Для определения основных технических характеристик установки УМВ-8 были проведены гидравлические испытания, в ходе которых были установлены зависимости производительности установки от перепада давления и количества промывной воды и от диаметра сечения коллектора отвода промывной воды. А также были определены эффективность очистки воды от механических примесей и минимальный размер частиц, улавливаемых ФПЭ.
Установка испытывалась при различных расходах воды в системе 2÷12 м3/час. На всех режимах работы УМВ-8 снимались показания измерительных приборов в напорном трубопроводе (Рвход) и внутри корпуса УМВ-8 (Рвых). Значения давлений снимались как по механическим манометрам, так и по электронным приборам на щите управления.
При изменении режима работы насоса испытательного стенда были получены следующие данные по производительности испытываемой установки при различных рабочих давлениях (табл. 1).
Таблица 1
№ п/п
Показания манометров (МПа)
Перепад давления,Р (МПа)
Производительность,Q (м3/ч)
механических
электронных
Рвх
Рвых
Рвх
Рвых
1
0,35
0,24
0,34
0,233
0,107
14,2
2
0,30
0,20
0,29
0,195
0,095
13,1
3
0,25
0,17
0,241
0,161
0,080
10,5
4
0,20
0,12
0,18
0,117
0,063
8,2
5
0,15
0,09
0,137
0,060
0,057
7,3
Рис. 5. График зависимости перепадно-расходных характеристик УМВ-8
На основании данных таблицы 1 построен график перепадно-расходных характеристик УМВ-8 (рис. 5).
Для получения зависимости количества промывной воды от диаметра коллектора отвода промывной воды производилась регулировка диаметра этого коллектора с помощью дроссельных шайб (табл. 2). По полученным результатам построен график зависимости количества промывной воды от диаметра коллектора отвода промывной воды (рис. 6).
Таблица 2
№ клапана
Диаметршайбы, мм
Показания манометров, кгс/см2
Расходводы на промывку одного ФПЭ, л
ПроизводительностьУМВ-8, м3/ч
механических
электронных
Рвх
Рвых
Рвх
Рвых
8
12
2,40
1,50
2,34
1,47
12
8,57
7
20
2,05
0,90
1,97
0
13
6,32
5
22
2,00
0,90
1,84
0
18
5,81
3
24
2,00
0,80
1,72
0
21
5,54
1
26
2,00
0,80
1,38
0
23
5,60
2÷6
28
2,40
1,50
1,86
0
25,4
5,64
Рис. 6. График зависимость количества промывной воды от диаметра сечения коллектора отвода промывной воды
В результате испытаний было принято решение выполнить подводящий коллектор очищаемой воды и коллектор отвода очищенной воды (фильтрата) из трубы ДУ 40, а подводящие и отводящие коллекторы промывной воды — из трубы ДУ 20 для снижения сопротивления системы и повышения эффективности удерживающей способности ФПЭ.
Также проведенные исследования позволили установить эффективность очистки воды от взвешенных веществ и тонкость фильтрации (минимальный размер задерживаемых ФПЭ частиц загрязнителя). Для этого на испытательном стенде были установлены и следующие параметры:
— расход воды в системе в режиме фильтрования — 8 м3/ч;
— длительность режима фильтрования — 50 мин;
— длительность режима промывки всех ФПЭ — 10 мин
— длительность режима промывки одного ФПЭ — 5 с;
— промежуток между промывками ФПЭ — 70 с;
— давление на входе в УМВ-8 = 0,3 МПа, на выходе = 0,22 МПа;
— общая длительность испытаний — 120 мин.
После установления рабочего режима установки УМВ-8 был произведен отбор проб исходной суспензии (до УМВ-8), фильтрата (после УМВ-8) и промывной воды (смыв) от каждого ФПЭ, для каждой отобранной пробы были определены эффективность очистки воды от взвешенных веществ и тонкость фильтрации ФПЭ.
Для определения этих величин в исходную (водопроводную воду) добавили искусственный загрязнитель — смесь песка и кварца № 1 (размер частиц от 0.2 до 27.9 мкм) и песка и кварца № 2 (размер частиц от 54.3 до 148 мкм). После выхода испытательного стенда на устойчивый режим работы был произведен отбор проб после УМВ-8. В отобранных пробах была определена концентрация механических примесей, содержащихся в воде.
Результаты лабораторных исследований исходной воды, фильтрата и промывной воды представлены в табл. 3.
Таблица 3.
Результаты лабораторных исследований
Показатель
Значение
исходная вода
фильтрат
промывная вода
Взвешенные вещества, мг/л
91,5
63,5
153,0
36,0
13,5
—
Из данных табл. 3 видно, что эффективность очистки воды от механических примесей варьируется от 30 до 65% в зависимости от исходной концентрации взвешенных веществ.
Также для определения тонкости фильтрации был произведен гранулометрический анализ исходной, очищенной и промывной воды на установке MicroSizer-201.
Под термином «тонкость фильтрации» или «номинальная тонкость фильтрации» понимаетсяминимальный размер задерживаемых фильтрующим элементом (фильтром) частиц загрязнителя, для которых коэффициент фильтрования равен 20.
Рис. 7. Сравнительные кривые гранулометрического состава исходной суспензии (проба 41) и фильтрата (проба 43)
Для испытания ФПЭ с ожидаемой номинальной тонкостью фильтрации 50 мкм в качестве искусственного загрязнителя взят кварцевый песок типа кварцит 0,05-0,2 (марка А по ГОСТ 2138-84). Для данного загрязнителя медиана функции плотности распределения количества частиц по размеру, определенная гранулометрическим методом на лазерном анализаторе частиц MicroSizer 201, составляет D50 = 29,4 мкм (паспортное значение медианы функции плотности распределения количества частиц по размеру, полученное стандартным весовым методом, составляет D50 = 32 мкм).
В систему вводится искусственный загрязнитель в количестве Mфпэ — рассчитанная или экспериментально определенная грязеемкость ФПЭ. Mфпэ определена экспериментально для единичного ФЭ в количестве 400±50 г. Таким образом, для ФМК с восемью ФЭ ожидаемая Mфэ составляет 3200 г.
По полученным номограммам были построены сравнительные кривые гранулометрического состава механических примесей, содержащихся в воде до и после УМВ-8 (рис. 7).
Видно, что гранулометрический состав частиц, прошедших через УМВ-8, имеет максимум в диапазоне 1–20 мкм. Наличие частиц крупностью более 50 мкм в этой пробе инструментальными методами не фиксируется, в то время как в исходной суспензии крупные частицы (более 50 мкм) составляют значительную часть.
Таким образом, можно сделать вывод, что на всех ФПЭ задерживаются частицы крупностью более 20 мкм, а частицы меньшей крупности проходят через ФПЭ и проскакивают в фильтрат.
Рис. 8. Кривая для определения коэффициента фильтрования
По полученным данным гранулометрического анализа содержащихся в воде механических примесей были построены кривые зависимостей числа частиц данной фракции в единице объема от размера частиц для фильтрата и суспензии (рис. 8).
Кривая отношения числа частиц до и после фильтра является коэффициентом фильтрации. Кривая на графике пересекает заданный уровень номинальной тонкости фильтрования Кф = 20 при размере частиц 35 мкм, что и следует принять за значение номинальной тонкости фильтрования УМВ-8.
Дополнительно для изучения режима регенерации фильтрующей способности фильтрующих патронных элементов, установленных в УМВ-8, был проведен гранулометрический анализ механических веществ, содержащихся в промывной воде от каждого ФПЭ, при этом фильтроцикл УМВ-8 составлял 1 час (табл. 4).
Сравнительная таблица гранулометрического состава проб по параметру D50 приведена в табл. 4.
Таблица 4
До УМВ-8
После УМВ-8
Промывочная вода с ФПЭ №
1
2
3
4
5
6
7
8
D50, мкм
20,9
11,8
25,2
25,3
25,0
25,5
24,7
23,1
23,8
27,2
По данным табл. 4 видно, что гранулометрический состав частиц, задержанных на ФПЭ № 1 и ФПЭ № 8, очень близок между собой, что говорит об однородности процесса фильтрования, равномерности распределения нагрузок между ФПЭ и об отсутствии «слабого звена», т. е. ФПЭ с недостаточной тонкостью фильтрации.
В табл. 5 представлены основные характеристики автоматизированной установки для очистки от механических примесей воды УМВ-8.
Таблица 5.
Характеристики установки УМВ-8
№ п/п
Наименование показателя
Размерность
Значение
1
Производительность
м3/ч
8,00
2
Номинальное рабочее давление
МПа
0,15–0,6
3
Тонкость фильтрации
мкм
свыше 20
4
Габаритные размеры(длина, ширина, высота)
мм
975х630х715
5
Вес
кг
не более 125
В результате испытаний установлено, что:
— система управления и конструкция установки обеспечивает длительную, непрерывную и устойчивую работу установки в автономном режиме фильтрация-промывка;
— для эффективной работы оптимальным расходом для установки является 8 м3/ч;
— схема регенерации ФПЭ «снаружи-внутрь» позволяет минимизировать время промывки ФПЭ, оптимизировать расходы воды на промывку, улучшить качество промывки и сохранить производительность установки;
— для достижения экономичного режима регенерации оптимальное сечение трубопровода отвода промывной воды составляет 18–20 мм, что позволяет снизить сопротивление системы и повысить эффективность удерживающей способности ФПЭ;
— при производительности установки 8 м3/ч, времени промывки 5 с, объем промывной воды с одного ФПЭ составляет 12–13 л, на промывку восьми ФПЭ потребуется 96–104 л воды, что составляет менее 1% от общей производительности УМВ-8;
— тонкость фильтрации составляет свыше 20 мкм.
Литература
Николадзе Г. И., Сомов М. А. Водоснабжение: учебник для ВУЗов. — М.: Стройиздат, 1995. — 688 с.
Ким А. Н. Совершенствование напорных водоочистных сооружении / Автореферат диссертации … доктора технических наук. — СПб. — 1998. — 48 с.
Жужиков В. А. Фильтрование. Теория и практика разделения суспензий. — М.: Химия. — 1971. — 440 с.
И. С. Конышков, заместитель начальника инженерного центра ЗАО «Промэнерго»
О. В. Спиридонова, начальник договорного отдела ЗАО «Промэнерго»
В развитие ст. 42 Федерального закона «Технический регламент о безопасности зданий и сооружений» от 30 декабря 2009 г. № 384-ФЗ Постановлением Правительства Российской Федерации от 21 июня 2010 г. № 1047-р утвержден Перечень национальных стандартов и правил для применения на обязательной основе, а Федеральным агентством по техническому регулированию и метрологии приказом от 1 июня 2010 г. № 2079 утвержден Перечень документов по стандартизации для применения на добровольной основе.
В указанных выше нормативно-технических документах отсутствуют положения, определяющие (нормирующие) требования к повысительным насосным установкам в системах водоснабжения жилых и общественных зданий, в том числе к решениям при проектировании, а также к их монтажу и наладке.
Существующие правила, инструкции по проектированию, монтажу и наладке повысительных насосных установок содержатся в различных документах, инструкциях производителей оборудования, многие из них не отражают современного уровня развития соответствующей техники и морально устарели. На наш взгляд, разработка стандарта по повысительным насосным установкам является весьма актуальной.
Основными целями разработки стандарта являются:
— обеспечение безопасности и эффективности видов работ, влияющих на безопасность объектов капитального строительства, указанных в Перечне видов работ по инженерным изысканиям, по подготовке проектной документации, по строительству, реконструкции, капитальному ремонту объектов капитального строительства, которые оказывают влияние на безопасность объектов капитального строительства, согласно приказу Минрегиона России от 30 декабря 2009 г. № 624 (вид работ 4.2, 4.5, 10, 15.1, 15.6, 23.5, 23.6, 24.9, 24.10, 24.11, 24.12, 24.29);
— повышение уровня безопасности жизни граждан, их имущества, обеспечение конкурентоспособности и качества выполнения работ по проектированию, монтажу и пусконаладке повысительных насосных установок;
— повышение надежности и качества водоснабжения объектов капитального строительства (жилых и общественных зданий) за счет применения ПНУ;
— снижение стоимости жизненного цикла при оптимизации использования повысительных насосных установок, повышение энергоэффективности при их эксплуатации;
— развитие и совершенствование базы технических нормативных и правовых актов в строительстве;
— конкретизация требований к подготовке и проектированию, монтажу и наладке повысительных насосных установок.
С учетом изложенных целей Национальное объединение строителей и Национальное объединение проектировщиков⃰ (Национальное объединение проектировщиков. Период существования — 2009-2014 гг.) приняли решение о разработке совместного стандарта «Инженерные сети зданий и сооружений внутренние. Повысительные насосные установки в системах водоснабжения жилых и общественных зданий. Правила проектирования и монтажа, контроль выполнения, требования к результатам работ».
Разработка стандарта была поручена НП «АВОК СЕВЕРО-ЗАПАД».
Повысительная насосная установка в системах водоснабжения жилых и общественных зданий
Стандарт относится к нормативно-техническим документам, подготовленным в помощь инженерно-техническим работникам, занятым проектированием, строительством, наладкой и эксплуатацией хозяйственно-питьевых и промышленных водопроводов жилых и общественных зданий. На сегодняшний день первая редакция стандарта прошла широкое обсуждение.
Оптимальным вариантом стандарта, на наш взгляд, является документ, объединяющий требования к проектированию, монтажу и наладке повысительных насосных установок, так как эти вопросы неразрывно связаны между собой. Так, в СТО НОСТРОЙ 170 подробно рассмотрены системы хозяйственно-питьевого водоснабжения зданий с использованием повысительных насосных установок для зданий повышенной этажности. В Стандарте приводятся данные по расчету систем водоснабжения зданий с повысительными насосными установками, рассматриваются принципы подбора насосного оборудования и насосных установок в целом, а также вопросы монтажа, наладки и контроля выполняемых работ.
Важный момент, который необходимо учитывать при расчете и подборе насосных станций повышения давления для нужд хозяйственно-питьевого водоснабжения (кроме непосредственно обеспечения рабочих параметров расхода и напора в диктующей точке в условиях переменного водоразбора) — это области допустимых значений работы насосных агрегатов при всех возможных вариациях расходно-напорных характеристик с учетом их гидравлических и конструктивных особенностей.
Практически все центробежные насосы, представленные на рынке водоснабжения, имеют ряд существенных ограничений, обусловленных конструктивом: минимальная частота вращения двигателя, верхний и нижний пороги области кривой рабочей характеристики. Если не учитывать эти особенности, то кроме низких значений КПД также велика вероятность «попасть» в такую зону рабочей кривой насосного оборудования, где недопустима эксплуатация насосного агрегата (кавитация, помпаж). В этих условиях как минимум резко снижается срок службы, а как максимум — насос может выйти из строя даже в гарантийный период. Как правило, при этом подшипники, торцевые уплотнения, рабочие колеса, а иногда и весь агрегат подлежат замене. Это касается продукции всех производителей насосов, как российских, так и зарубежных.
Допустимые зоны эксплуатации значительно расширяются при применении частотного регулирования, однако «прямое» управление частотой вращения вала насосного агрегата по значению «уставки» давления на выходе из насосных станций, без учета обозначенных ограничивающих факторов, зачастую не решает вопроса. Это особенно актуально в домовых системах водоснабжения при «плавающих» значениях подпорной характеристики системы (зачастую значение минимального гарантированного подпора в наружных сетях — величина переменная).
На наш взгляд, в насосных станциях повышения давления для нужд хозяйственно-питьевого водоснабжения необходимо использовать специальное программное обеспечение, реализующее алгоритм проверки всех комбинаций и режимов работы насосных агрегатов станции на соответствие области допустимых значений. Данная область должна рассчитываться автоматически, используя подтвержденные эмпирическим путем математические зависимости, отталкиваясь от расходно-напорной характеристики насоса и прочих его особенностей. Ограничения и принципиальные параметры агрегата, определенные предприятием-изготовителем (номинальная и крайние рабочие точки, минимальная частота вращения), вносятся в интерфейс управления станции как ключевые значения.
По нашему мнению, необходим некий специальный программный продукт, который позволяет (кроме основной функции — поддержание давления при переменном водоразборе):
— снимать и принимать все значения и параметры работы станции (диспетчеризация с визуализацией фактического состояния и основных показателей работы насосной установки);
— учитывать характеристики и особенности системы (задаваемые значения статического напора, коэффициента сопротивления системы);
— обеспечивать работу насосной станции в зонах максимальных значений КПД.
Разработчики стандарта рекомендуют применять насосные станции заводской готовности, оснащенные необходимым программным обеспечением, прошедшие первичные испытания и тестирование на производственных стендах предприятий-изготовителей.
Интерес также представляют карты контроля, предложенные в Стандарте:
— карта контроля технологических операций представляет собой сводную таблицу проверки основных этапов проведения монтажных работ, помогает вести контроль, как с точки зрения завершенности работ, так и контроля формирования исполнительной документации (акты выполненных работ, журналы выполненных работ и т.д.);
— карта контроля соблюдений требований СТО НОСТРОЙ 170 является техническим подспорьем для контроля и выполнения работ монтажной организацией в соответствии с нормативным документами, стандартами и пр.
Считаем, что разработанный стандарт должен занять важное место в нормировании решений и работ по обеспечению водоснабжением жилых и общественных зданий.
С текстом Стандарта можно ознакомиться на официальном сайте Национального объединения строителей: www.nostroy.ru.
Наша большая страна в значительной степени газифицирована. Особенно это относится к городам. И это, безусловно, благо для наших граждан, к которому привыкли и воспринимают как должное. Привычка порождает невнимательность и, возможно, является одной из причин возникновения аварийных ситуаций с индивидуальным газовым оборудованием — с трагическими последствиями.
Взрыв — это физический или/и химический быстропротекающий процесс горения с выделением значительной энергии в небольшом объеме за короткий промежуток времени, приводящий к ударным, вибрационным и тепловым воздействиям на строительные конструкции зданий и сооружений и окружающую среду.
Рис. 1. Фасад. Котел в рабочем положении
В последние годы на территории нашей страны участились случаи взрывов природного газа в жилых домах.
Приведем анализ последствий взрыва природного газа в жилом секторе. По данным ОАО «Росгазификация», ежегодно в жилом секторе (быту) происходит порядка 230 различных инцидентов (чрезвычайных происшествий), связанных с использованием газа. При этом возрастает число погибших: например, в 2012 году погибло 130 человек (80% в результате отправления оксидом углерода, 20% в результате взрывов газовоздушной смеси и пожаров) [1]. «Ростехнадзор» возложил вину за происшедшее именно на человеческий фактор: по статистике, эпицентры взрыва в подавляющем большинстве случаев находятся внутри квартир.
Отрицательные последствия взрывов в жилом секторе можно разделить на следующие категории:
— повреждение и обрушение зданий (уничтожение жилого фонда);
— гибель и травмирование людей;
— материальный ущерб;
— психологическое воздействие на население;
— загрязнение окружающей среды.
Рис. 2. Фасад. Котел в оконном проеме для профилактики и ремонта
Очень часто взрывы природного газа приводят к разрушению остекления, разрушению несущих и ограждающих строительных конструкций. Нередко в результате взрывов происходит обрушение целых подъездов жилых домов.
Возможны пути решения проблем. С точки зрения физики, то, что происходит при воспламенении газа на кухне от спички или от искры при взрывоопасной концентрации (5–14%), это быстрое сгорание газовоздушной смеси. Это приводит к моментальному повышению давления в помещении. Например, если кухня размером 3х3х2,5 м будет вся заполнена стехиометрической смесью природного газа с воздухом и произойдет зажигание этой смеси, то давление в таком замкнутом объеме может составить примерно 0,8 МПа, усилие на межэтажные перекрытия может достичь максимального размера 7106 Н (700 тс) [4]. Естественно, и перекрытия и стены будут разрушены, выше лежащие строительные конструкции будут приподняты, а затем также обрушены, т. е. полностью разрушится некоторая часть многоэтажного дома.
А если на кухне будет окно с обычной деревянной рамой с крупными переплетами и стеклами толщиной 2 миллиметра, которые разрушаются уже при избыточном давлении 0,0025 МПа, и площадь открывшегося при этом отверстия будет не менее 1,5 м2, то горение газа и стечение продуктов сгорания будут компенсировать друг друга, давление на кухне не поднимется выше 0,005 МПа и, следовательно, здание не получит никаких разрушений.
Однако в настоящее время широко используется пластиковые стеклопакеты, которые разрушаются при гораздо более высоком давлении и, таким образом, не выполняют взрывозащитной функции, что приводит к нарастанию отрицательных последствий взрывов природного газа в жилом секторе.
Для того чтобы устройство сброса давления взрыва было эффективным, оно должно вскрываться при достаточно низком давлении и иметь достаточно большую площадь проходного сечения, чтобы после его вскрытия рост давления в защищаемом объеме был исключен.
Рис. 3. Вид изнутри. Котел в оконном проеме
Легкосбрасываемая кровля может быть установлена только на верхних этажах, поэтому вряд ли может быть рекомендована для широкого применения в жилых домах, а окна — это, пожалуй, основное средство взрывозащиты, причем вполне пригодное для взрывозащиты кухонь. Главное, чтобы окно разрушалось при минимальном давлении и чтобы вскрывшееся в результате этого отверстие было достаточно большим. Приведенное выше соотношение (0,05 м2 на 1 м3) рекомендуется СНиП для взрывоопасных производственных зданий, а не для бытовых помещений жилых зданий [5].
Известно, что стекло легче разрушается если оно тоньше и больше по площади. СНиП прямо устанавливают, что стекло может выполнять роль взрывозащиты при толщине 3, 4 и 5 мм, при площади не менее соответственно 0,8; 1 и 1,5 м2. Армированное стекло вообще не может использоваться для этих целей.
Проблема взрывозащиты кухонь в жилых домах в последнее время усложнилась тем, что в них стали устанавливать современные металлопластиковые окна с многослойными стеклопакетами. Такие окна обеспечивают лучшую тепло- и шумоизоляцию, они менее доступны для проникновения в квартиру злоумышленников, имеют ряд других бесспорных преимуществ. Но их также неоспоримый недостаток в том, что они слишком прочны.
Рис. 4. Вид изнутри. Котел открыт для профилактики и ремонта
Возможно, именно по причине очень широкого распространения металлопластиковых окон и наблюдается всплеск количества катастрофических взрывов, связанных с бытовым газом. Если раньше при взрыве бытового газа на кухне с окном со слабой деревянной рамой и 2-миллиметровыми стеклами страдали (получали ожоги) только жильцы одной квартиры, то теперь прочные металлопластиковые окна со стеклопакетами превратили кухни в своего рода «мины», угрожающие всему подъезду.
На основе проведенного анализа можно сделать следующие выводы:
— обеспечение взрывобезопасности в жилом секторе является актуальной проблемой, поскольку растет количество взрывов природного газа, человеческих жертв и материального ущерба, в том числе от разрушений строительных конструкций зданий;
— в средствах массовой информации не проводится пропагандистских мероприятий по обеспечению взрывопожаробезопасности в жилом секторе;
— необходимо усилить проведение профилактических работ по предупреждению пожаров и взрывов в жилом секторе соответствующими службами газового хозяйства и государственного пожарного надзора;
— необходимо повысить уровень государственного пожарного надзора по обеспечению взрывопожаробезопасности на объектах строительства;
— строительным, промышленным, научно-исследовательским организациям следует усилить работу по обеспечению за счет технических, технологических или иных методов взрывозащиты жилого сектора при возникновении взрывоопасной концентрации природного газа.
В заключение необходимо отметить, что основной причиной взрывов является невнимательное отношение жильцов к эксплуатации газовых приборов (залив их или неисправность оборудования) и отсутствие необходимого в этом случае проветривания помещения. В результате образуется взрывоопасная концентрация газовоздушной смеси, которая при возникновении источников зажигания может привести к взрывам и другим тяжелым последствиям.
Для минимизации подобных ЧП нами было разработано и запатентовано техническое устройство — устройство для монтажа наружных блоков климатотехнического оборудорания, патент № 2533352 от 17 сентября 2014 года.
На данном устройстве можно размещать различное климатотехническое оборудование — например, кондиционеры. Но мы считаем, что наиболее актуальным является установка модифицированных газовых индивидуальных котлов для отопления помещения и подачи горячей воды.
Существуют примеры размещения индивидуального газового оборудования на наружной стене здания (LUNA-3 Silver Space). Но этот индивидуальный газовый котел неподвижно крепится к наружной стене. И поэтому установка, обслуживание и ремонт возможны только на нижних этажах здания. Предполагаемое нами техническое решение позволяет устанавливать, обслуживать и производить ремонт газового оборудования — индивидуального газового котла на любом этаже здания.
Устройство для монтажа наружных блоков —газовых котлов состоит из горизонтальных направляющих, расположенных выше и ниже оконного проекта, продолженных до простенка.
В простенке неподвижно закреплен защитный кожух. В нем находится узел подключения гибкого жгута коммуникаций. На горизонтальных направляющих установлен и может передвигаться газовый котел, соединенный с узлом подключения гибким жгутом коммуникаций. Жгут коммуникаций содержит шланги теплоносителя, шланг подачи газа, энергоинформационные кабели. Через узел подключения они проходят через стену в помещение (кухню). В помещении находится пульт управления и индикации.
В рабочем положении котел находится в простенке и состыкован с защитным кожухом. Гибкий коммуникационный жгут уложен в защитный кожух. При необходимости проведения ремонтных или профилактических работ котел выдвигается в проем окна.
При аварийной утечке газа, так как котел находится вне помещения, не образуется взрывоопасной воздушно-газовой смеси. Следовательно, взрыв исключен.
Приглашаем к сотрудничеству организации, заинтересованные в практическом освоении и внедрении предложенной конструкции — взрывобезопасного индивидуального газового оборудования.
Литература
1. Официальный сайт Министерства Российской Федерации по делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвидациям стихийных бедствий. — (http://www.mchs.gov.ru). — (01.09.2013).
2. О порядке предоставления коммунальных услуг гражданам: постановление Правительства Российской Федерации от 23 мая 2006 г. № 307 // Российская газета. — 2006. — 1 июня. — № 4081.
3. ОНТП 24-86. Определение категорий помещений и зданий по взрывопожарной и пожарной опасности. — М.: ВНИИПО МВД СССР. — 25 с.
4. Правила противопожарного режима в Российской Федерации. — М.: Омега-Л, 2012. — 86 с. — (Безопасность и охрана труда).
5. СНиП II-90-81. Производственные здания промышленных предприятий [утв. постановлением Гос. комитета СССР по делам строительства от 7 декабря 1981 г. № 202]. — М.: Стройиздат, 1982. — 15 с.
6. Обучающие материалы. Теоретические основы горения и взрыва. — http://bezop-pogar.ru/obuchayushhie-materialy-teoreticheskie-osnovy-goreniya-i-vzryva.html). — (01.09.2013).
7. Sushko, Ye. A. ^Development of the Technique for Calculation of Efficient Modes of Operation of Ventilation Systems of Industrial Premises», Scientific Herald of the Voronezh State University of Architecture and Civil Engineering / Ye. A. Sushko, K. N. Sotnikova, S. L. Karpov // Construction. Architecture. Transport. — 2011. — № 2. — С. 143.
8. Облиенко А. В. Экспериментальные исследования закономерностей распределения пожаро-взрывоопасных веществ в промышленных помещениях / А. В. Облиенко, С. О. Потапова, Е. А. Сушко // Научный вестник Воронежского ГАСУ. Строительство и архитектура. — 2010. — № 3 (19). — С. 154–163.
9. О взрывах природного газа и их последствиях в многоэтажном жилом секторе Е. А. Сушко, А. М. Зайцев, А. А. Кашникова, Д. С. Черных.
И. И. Пестряков, директор Испытательного центра ОНТИ ФГАОУ ВО «Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого»
Введение
Автоклавный газобетон в виде стеновых блоков в настоящее время получил широкое распространение в Российской Федерации, а также в странах Восточной Европы. В то же время в странах Западной Европы и особенно в странах Скандинавии стеновые изделия из газобетона в настоящее время применяются крайне редко [1]. Несмотря на полученный именно в скандинавских странах толчок для развития в настоящее время на территории этих стран нет ни одного крупного производства по выпуску данного типа изделий.
Пик популярности изделий из автоклавного газобетона в странах Западной Европы и Скандинавии закончился с началом реализации комплексной программы энергосбережения и повышения энергетической эффективности зданий. Стены, выполненные кладкой из газобетонных блоков без дополнительного утепления, не могут обеспечить современные требования к уровню теплоизоляции, принятые в этих странах.
Высокая начальная влажность изделий делает процесс утепления газобетонных стен снаружи рискованным с точки зрения обеспечения требуемого температурно-влажностного режима наружных ограждений, даже несмотря на то, что значительная часть влаги может удаляться посредством систем вентиляции и кондиционирования.
Следует отметить, что требования к уровню теплоизоляции (в Российской Федерации принят термин: «тепловой защиты») наружных стен в скандинавских странах существенно выше, чем в России несмотря на сопоставимые характеристики климата в отопительный период эксплуатации [2]. По этой причине в нашей стране до сих пор имеет место строительство стен из газобетонных блоков без дополнительного утепления. Однако подробный анализ того, насколько это оправданно, не производился.
Существует довольно большое разнообразие различных стереотипов о материале, которые также требуют своей объективной оценки.
Свойства стеновых изделий из автоклавного газобетона в настоящее время достаточно хорошо изучены. Это позволяет объективно оценить его конкурентные преимущества и недостатки.
В рамках настоящего обзора проведена оценка положительных и отрицательных потребительских качеств материала и изделий, а также анализ нормативной документации и распространенных в практике строительства технических решений, на основании которых даны рекомендации по области применения газобетонных блоков в строительстве зданий на территории Российской Федерации.
1. Основные положительные потребительские свойства и конкурентные преимущества
Преимущества изделий стеновых неармированных из ячеистого бетона автоклавного твердения (именно так следует правильно указывать наименование данного типа изделий) хорошо известны. Однако среди них есть такие, которые следует выделить особо.
1.1. Доступность сырьевых компонентов
Газобетонные блоки изготавливаются из доступных в России сырьевых компонентов: песка, извести, цемента, воды, гипса, алюминиевой пудры или пасты. К импортным материалам, которые могут понадобиться при производстве изделий, следует отнести запчасти к основному выпускающему оборудованию, которое на российский рынок в подавляющем большинстве случаев поставляют европейские или китайские компании. В этой связи заводам-производителям периодически требуется замена или ремонт запчастей, которые приходится закупать за границей. Однако большинство современных заводов имеет сравнительно недавнюю историю (не более 10 лет на рынке), а выпускающее изделия оборудование характеризуется высокой степенью надежности, что обуславливает сравнительно небольшие затраты на эксплуатацию при замене или ремонте тех или иных его частей.
1.2. Низкая пожарная опасность и высокая огнестойкость
Газобетонные блоки имеют группу горючести НГ по ГОСТ 30244, класс пожарной опасности КМ0 согласно ФЗ-123 «Технический регламент о требованиях пожарной безопасности», класс А1 согласно европейскому стандарту EN 13501-1. Стеновые конструкции обладают высокими пределами огнестойкости и классом пожарной опасности согласно ГОСТ 30403, поэтому практически не требуют применения средств огнезащиты для достижения нормируемых характеристик здания.
1.3. Точность изделий
Подавляющее большинство современных производителей выпускают изделия на импортных линиях, которые обеспечивают выпуск изделий с высокой точностью. Большинство из них выпускают изделия так называемой I категории, с допусками:
– по высоте: ± 1 мм;
– по ширине: ± 2 мм;
– по длине: ± 3 мм.
Точность изделий позволяет выполнять кладку не только на цементно-песчаном растворе (с толщиной швов 6–10 мм), но и на специальных цементных клеях (с толщиной шва 2–4 мм), а для ненесущих стен, в том числе с использованием в качестве скрепляющих блоки составов полиуретановых клеев [3], что обеспечивает более высокую теплотехническую однородность стеновых конструкций. Аналогичной возможностью применения специальных полиуретановых клеев обладает и крупноформатная керамика, но в практике строительства зданий из керамических блоков полиуретановые клеи практически не применяются. Для выполнения кладки на специальных клеях изделия требуют дополнительной шлифовки, что увеличивает как время их производства, так и цену изделий. По этой причине очень небольшое количество заводов-производителей крупноформатной керамики производит процедуру шлифовки изделий.
1.4. Технологичность кладки и высокая производительность работ
Изделия имеют сравнительно небольшую плотность (в сухом состоянии от 400 до 600 кг/м3), изделия легко пилятся, штробятся, сверлятся. В настоящее время практически все производители предлагают специальные приспособления (штроборезы, каретки, угольники, рубанки, пилы ручные) для того, чтобы облегчить работу каменщиков. В совокупности набор этих инструментариев обусловливает высокую технологичность и производительность работ. Один блок размером 625×375×250 мм (Д×Ш×В) по объему заменяет примерно 30 кирпичей стандартного размера 250×120×65 мм. Каменщику при выполнении работ приходится выполнять меньше операций на подходы к поддону, подъем изделий, укладку, выравнивание, подбивание, нанесение строительного раствора. Ввиду всех перечисленных выше обстоятельств производительность работ при выполнении кладки из газобетонных блоков оказывается существенно выше по сравнению с кладкой из кирпича. Среди керамических изделий существуют крупноформатные камни, например, камни 14,9 НФ размером 260×510×219 мм (Д×Ш×Т), но допуски по геометрии таких изделий и их вес оказываются больше. Кроме того, многие технологические операции при кладке стен оказываются более продолжительными, а отрезание изделий и прорезание штроб и отверстий в стенах приходится выполнять с использованием специального электроинструмента.
1.5. Низкая стоимость изделий
Доступность сырьевых компонентов, а также сравнительно небольшие затраты энергоресурсов на производство газобетонных блоков по сравнению с керамическими изделиями делают их производство менее дорогостоящим, а себестоимость изделий — более низкой. Как известно, при прочих равных условиях определяющим фактором при выборе материала для строительства дома является цена, и в этом отношении стеновые изделий из автоклавного газобетона марок по плотности D400–D600 имеют существенные преимущества по сравнению с силикатными изделиями и стеновыми изделиями из керамики (кирпич, крупноформатные камни).
Следует, однако, отметить, что далеко не всегда низкая стоимость изделий определяет более низкие затраты на строительство, но об этом будет речь пойдет уже в следующем разделе, в котором покажем ограничения областей применения изделий стеновых из автоклавного газобетона.
2. Основные отрицательные потребительские свойства и ограничения
Как и любой другой тип строительных изделий, газобетонные блоки имеют свои ограничения по области их применения. Эти ограничения нельзя в полной мере назвать недостатками. Действительно, если продолжить сравнение газобетонных блоков с кирпичными изделиями, то следует указать на то, что прочность газобетона окажется существенно ниже керамического или силикатного кирпича. Но в этом случае не следует из него возводить несущие или самонесущие стены той же высотности и этажности, что и из силикатного кирпича, например, марки М200. Однако если требуется построить трехэтажное здание с несущими стенами, то стеновые изделия из автоклавного газобетона вполне могут быть использованы в данном случае при соответствующем расчетном обосновании по прочности и устойчивости.
В то же время, если речь идет об условиях крепления внутренних и наружных каменных слоев многослойных стен или крепления слоя теплоизоляции к основанию, то более плотные материалы, безусловно, обеспечат более надежные условия крепления, и это обстоятельство будет объективно отражать конкурентные преимущества более плотных, по сравнению с изделиями из автоклавного газобетона, каменных или бетонных строительных изделий.
Достаточно широко и подробно ограничения по области применения изделий из автоклавного газобетона рассмотрены в работах [1, 4].
2.1. Влажностный режим стеновых конструкций
В Интернете, при обсуждении негативных качеств газобетонных изделий, распространены следующие убеждения:
1. Газобетон «боится» воды (гидрофилен).
2. Газобетон «сосет» воду из воздуха (гигроскопичен).
Действительно, если блоки поместить в воду, то влага с течением времени заполнит собой все или практически все воздушные полости, коих может быть до 90% по объему изделий [38]. Фактическая влажность изделий по массе может достигать 100%. Это означает, что, например, для изделий марки по плотности D 500 (со средней плотностью порядка 500 кг/м3) фактическая плотность изделий повысится до 1000 кг/м3.
По этой причине блоки не рекомендуется применять во влажных и мокрых помещениях. Повышенная влажность изделий отрицательно скажется как на их теплофизических характеристиках (теплопроводности), так и механических (прочности). Уменьшится также и их долговечность. Последнее обстоятельство обусловлено тем, что начиная с некоторой критической влажности изделий, при которой будет происходить заполнение водой не только мелких капилляров, но и крупных пустот, последующее замораживание изделий будет приводить к появлению многочисленных трещин, выбоин, сколов и, в конечном итоге, к расслоению изделий на отдельные фрагменты. В этом убеждают не только исследования отдельных авторов [5], но и результаты натурных обследований объектов, в помещениях которых в течение длительного срока наблюдается высокая влажность внутреннего воздуха и отсутствует защита внутренних поверхностей стен из газобетонных изделий. В основном такие разрушения наблюдались на производственных объектах, а также на объектах некоторых животноводческих хозяйств с повышенной влажностью.
Справедливости ради следует отметить, что в подавляющем большинстве случаев изделия из газобетонных блоков применяются в помещениях с сухим и нормальным режимом эксплуатации помещений (большинство помещений жилых зданий и зданий общественного назначения) и описанные выше явления, связанные с переувлажнением в процессе эксплуатации стеновых конструкций, выполненных кладкой из газобетонных блоков, крайне редки. Для жилых и общественных зданий с сухим и нормальным режимами эксплуатации помещений переувлажнение отдельных участков стен может происходить в результате замачивания стен снаружи, например, при ненадлежащем водоотводе с кровли, повреждении водосточных труб, воронок, карнизов, нарушении гидроизоляции в местах сопряжения покрытий со стенами, а также на парапетах. В этом случае также может наблюдаться локальное повреждение переувлажненных участков стен.
Еще одной потенциальной причиной для возникновения условий по переувлажнению стеновых конструкций в нижней части стен является отсутствие цоколя требуемой высоты, выполненного из бетона или полнотелого керамического кирпича. Именно по этой причине производители в альбомах технических решений [6] рекомендуют первый ряд кладки из газобетонных блоков начинать с уровня 500 мм выше уровня земли. При невыполнении данного условия в периоды оттепелей неубранный с отмостки снег может приводить к переувлажнению блоков нижнего ряда кладки. Кроме того, высокий цоколь уменьшает риск попадания грунтовой воды по капиллярам материалов, из которых выполнен цоколь здания.
Для предохранения стеновых конструкций от грунтовой влаги в них устраивают гидроизоляционные слои, препятствующие доступу влаги из грунта в конструкции.
На одном из строящихся в зимнее время объектов снег через незаполненные оконные проемы попадал в помещения, оттаивал, стекал под уложенный на полу утеплитель (экструдированный пенополистирол), увлажняя постепенно нижний ряд блоков, а при повторном появлении заморозков приводил к разрушению нижнего ряда кладки примерно на 1/3 ее толщины.
По этой причине при проектировании наружных стен зданий из газобетонных блоков следует применять их для помещений с сухим (с влажностью внутреннего воздуха до 50%) и нормальным (с влажностью воздуха свыше 50 до 60%) режимами эксплуатации (в интервале температур 12–24 ºС); при строительстве — четко соблюдать все требования проектной документации, дабы предотвратить все пути возможного замачивания изделий в процессе эксплуатации; при эксплуатации — следить за техническим состоянием элементов зданий, предназначенных для удаления влаги с крыши, а также для защиты строительных конструкций от увлажнения.
Если материал находится в правильных условиях эксплуатации и не происходит его переувлажнения в результате допущенных при строительстве или эксплуатации ошибок или нарушений, то следует признать, что боязнь того, что газобетон «боится» влаги или что он «сосет» влагу изнутри, сильно преувеличена. Если в помещениях наблюдается сухой и нормальный режим эксплуатации и произведена отделка стен изнутри (стены оштукатурены, на них наклеены обои), то критического увлажнения стен, как правило, не происходит. К тому же большинство современных обоев имеет одно или несколько полимерных покрытий, которые в совокупности с клеем для обоев создают достаточно эффективный пароизоляционный барьер, который в значительной степени ограничивает поток водяного пара через стеновое ограждение изнутри, образующийся в результате установления в зимний период эксплуатации разности парциальных давлений водяного пара изнутри и снаружи стеновых конструкций.
На одном из объектов с наружными стенами из газобетонных блоков, строительство которого продолжалось вплоть до конца осени, при включении в здании отопления наблюдалось интенсивное появление влаги (протечки) из систем вентиляции. Появление протечек было обусловлено тем, что при включении системы отопления происходило интенсивное осушение наружных и внутренних стен. В помещениях наблюдалась очень высокая влажность внутреннего воздуха (более 70%). Влажный воздух из помещений поступал в систему вентиляции, где в зоне расположения холодного чердака конденсировался с появлением большого количества воды, которая стекала по стенкам вентиляционных каналов обратно в помещения. В той или иной степени этот процесс продолжался в течение нескольких недель и мог увеличиться, если в помещениях еще продолжали производиться какие-либо мокрые технологические процессы. При этом при осмотре здания со стороны улицы на наружной штукатурке местами наблюдались мокрые пятна и высолы.
2.2. Перетопы в первые годы эксплуатации
Другой важной проблемой, связанной с высокой влажностью изделий из автоклавного газобетона, является ухудшение их теплотехнических характеристик. Известно, что теплопроводность любых материалов зависит от степени их увлажнения. Замещение воздуха в порах и капиллярах материала водой приводит к ухудшению его теплоизоляционных характеристик (увеличению теплопроводности).
Когда проектируется новое здание, инженер определяет, в том числе, расчетное (проектное) энергопотребление и мощность системы отопления. В этом случае он пользуется расчетными теплотехническими характеристиками применяемых при проектировании (а впоследствии и при строительстве) строительных материалов и изделий. Основным теплотехническим показателем строительных материалов и изделий является теплопроводность. Как было показано выше, в сухом состоянии теплопроводность может иметь одни значения, а во влажном — другие (более высокие). Поэтому существует теплопроводность в сухом состоянии (при нулевой влажности) и расчетная (эксплуатационная) теплопроводность, которая учитывает некоторую, отличную от нуля, влажность изделий. В нашей стране в соответствии с действующими нормами по тепловой защите теплопроводность определяется для некоторых условий эксплуатации, условно разделенных на два класса — условия эксплуатации «А» и условия эксплуатации «Б».
Ввиду того, что влажность большинства эксплуатируемых в наружных ограждениях материалов и изделий отличается от нулевой, расчетная теплопроводность изделий несколько отличается от теплопроводности в сухом состоянии, и, чем влажность изделий выше, тем расчетная теплопроводность окажется выше теплопроводности того же материала или изделия в сухом состоянии.
От величины расчетной теплопроводности материалов и изделий, которые применяются в составе наружных ограждающих конструкций (стен, покрытий, чердачных перекрытий, перекрытий над подвалами и т. д.) зависят проектные значения мощности системы отопления и энергопотребления объекта в отопительный период. Соответственно, если расчетные характеристики изделий будут приняты неправильно, столь же неправильно будет запроектирована и система отопления.
При эксплуатации построенных зданий часто оказывается, что фактическое энергопотребление зданий, выполненных кладкой из газобетонных блоков с последующим оштукатуриванием стен или облицовкой их кирпичом, выше расчетного (проектного).
При анализе нормативных документов оказывается, что в различных стандартах для изделий из автоклавного газобетона указываются различные расчетные значения теплопроводности (табл. 1).
Таблица 1. Сравнительные показатели теплопроводности и эксплуатационной влажности изделий из автоклавного газобетона марок D 400 и D 600 согласно ГОСТ 31359 и СП 50.13330
Теплотехнический показатель
ГОСТ 31359
СП 50.13330
D 400
D 600
D 400
D 600
Теплопроводность в сухом состоянии, λ0 [Вт/(м·K)]
0,096
0,140
0,110
0,140
Массовое отношение влаги в материале, для условий эксплуатации А, ωА, %
4
4
8
8
Расчетное значение теплопроводности для условий эксплуатации А, λА [Вт/(м·K)]
0,113
0,117
0,140
0,150
Массовое отношение влаги в материале для условий эксплуатации А, ωБ, %
5
5
12
12
Расчетное значение теплопроводности для условий эксплуатации Б, λБ [Вт/(м·K)]
0,160
0,183
0,220
0,260
Из таблицы 1 следует, что в СП 50.13330 для газобетона марок D 400 и D 600 массовое отношение влаги в материале отличается от аналогичного показателя, принятого в ГОСТ 31359. Если в СП 50.13330 массовое отношение влаги в материале для условий эксплуатации А принимается равным 8% а для условий эксплуатации Б — 12%, то в ГОСТ 31359, разработанном при участии заводов-производителей [1], массовое отношение влаги принимается равным 4% для условий эксплуатации А и 5% для условий эксплуатации Б. Соответственно, с учетом меньшего расчетного значения массового отношения влаги в материале, расчетные значения теплопроводности для изделий из автоклавного газобетона по ГОСТ 31359 оказываются ниже, чем по СП 50.13330. Таким вот образом расчетные значения теплопроводности по ГОСТ 31359 создают дополнительные конкурентные преимущества, так как чем меньше теплопроводность, тем меньшая толщина материала требуется для обеспечения требуемого сопротивления теплопередаче стеновой конструкции. Следовательно, у газобетона возникают экономические преимущества по сравнению с другими типами стеновых каменных материалов, для которых в Своде правил и соответствующих ГОСТ или ТУ аналогичных расхождений не наблюдается.
Известно, что со склада завода-изготовителя на строительную площадку изделия поступают с влажностью (по массе) от 35 до 43%. Не 8%, не 12%, и даже не 4 или 5%, а около 40%.
В процессе производства, после автоклавной обработки, влажность изделий может быть и выше. Однако по мере следования к упаковочной линии влажность изделий незначительно уменьшается. На упаковочной линии изделия сверху и с боковых сторон закрываются в полиэтиленовую пленку и поступают на открытый склад готовой продукции. На складской площадке поддоны устанавливаются в ряды, обычно в два или три уровня по высоте, и хранятся подобным образом от нескольких часов (в период сезонного спроса) до нескольких месяцев (в периоды отсутствия значительного спроса). Упакованные в пленку изделия могут немного подсохнуть, но в подавляющем большинстве случаев влажность их не падает ниже 35%. И с такой влажностью изделия поступают на строительные объекты.
Как можно видеть из таблицы 1, реальная влажность изделий из газобетона оказывается выше и той, которая обозначена в ГОСТ 31359 (табл. 1), и той, которая регламентирована в СП 50.13330 (Приложение Т). Соответственно, и расчетные значения теплопроводности для изделий окажутся выше, а это уже будет означать, что при заданной разности температур снаружи и изнутри стеновой конструкции выше окажутся и потери теплоты через стены. Поэтому в первые годы эксплуатации в домах, построенных из газобетонных блоков, наблюдается значительный перетоп. При перетопе тратятся дополнительные энергетические ресурсы, а следовательно, возрастают эксплуатационные расходы на отопление таких зданий. По сути дополнительные затраты теплоты уходят на то, чтобы убрать лишнюю влагу из стен.
По истечении некоторого периода времени влажность изделий устанавливается в пределах 5–18% (здесь, кстати, возникает вопрос, куда вся эта лишняя влага будет направляться и что при этом будет происходить с отделочными слоями). Этот период может длиться один отопительный сезон, а может растянуться на годы. Скорость высыхания газобетонных изделий в кладке будет зависеть, с одной стороны, от условий и режимов эксплуатации, и от характеристик отделочных слоев, с другой стороны [7]. Чем выше окажется сопротивление паропроницанию наружного отделочного слоя, тем более длительное время будет происходить высыхание газобетона в кладке.
При этом наружная отделка стен из газобетонных блоков является обязательной, так как при отсутствии наружной отделки стены, выполненные кладкой из газобетонных блоков, обладают высокой сквозной воздухопроницаемостью, что приводит к дополнительным, так называемым инфильтрационным потерям теплоты в отопительный период года. Особенно заметными инфильтрационные потери теплоты оказываются в ограждающих конструкциях, выполненных из пазогребневых блоков с незаполненными вертикальными швами кладки. Лабораторные теплофизические испытания фрагментов кладки из газобетонных блоков с системой паз-гребень [8], проведенные в климатической камере, показали, что при отсутствии вертикальных швов кладки температуры, близкие к точке росы, в незаполненных швах кладки наблюдаются уже на расстоянии 75 мм от ее внутренней поверхности. Исходя из результатов проведенного исследования [8] сделан следующий основной вывод: отрицательные температуры в вертикальном шве паз-гребень без клея могут привести к конденсации водяных паров и, как следствие, к увеличению влажности газобетона, что в холодный период года может вызвать промерзание стены.
В процессе хранения изделий на строительной площадке, а также при строительстве зданий, газобетонные изделия могут как подсохнуть, так и набрать некоторое дополнительное количество влаги, например, при воздействии косых дождей или замачивании кладки при производстве мокрых технологических процессов. В любом случае из-за повышенного содержания влаги в материале в первые годы эксплуатации будет наблюдаться перетоп, и он будет тем более значительным, чем больше влаги содержится в порах материала.
В дополнение к сказанному стоит отметить, что в Советском Союзе отпускная влажность ячеистобетонных изделий (блоков), изготовленных на основе песка, не должна была превышать 25%. Именно такое значение отпускной влажности было регламентировано для ячеистобетонных изделий (газо-, пено- и газопенобетонов) в ГОСТ 21520 (п. 1.2.1.6). Однако, когда в нашей стране стали массово открываться современные заводы по выпуску стеновых изделий из автоклавного газобетона, оказалось, что иностранные линии, выпускающие изделия по литьевой технологии, не могут выпускать изделия с такой отпускной влажностью. Именно тогда производителям и пришла идея вообще отказаться от ограничения отпускной влажности. В этой связи появился новый стандарт — ГОСТ 31360, который заменил ГОСТ 21520 в части изделий из ячеистого бетона автоклавного твердения. При этом ГОСТ 21520 остался действующим для аналогичных изделий, но не прошедших автоклавную обработку. Хотя по сути это материалы одного класса и назначения и по мере эксплуатации их расчетные теплотехнические показатели при одинаковом значении марки по плотности должны оказаться одинаковыми, так как у них близкие значения плотности, теплопроводности в сухом состоянии и паропроницаемости.
Это обстоятельство, безусловно, способствовало развитию автоклавных изделий. При этом заводы по выпуску неавтоклавных ячеистобетонных изделий практически полностью прекратили свое существование.
2.3. Теплотехническая однородность стен
Производители часто заявляют о высокой теплотехнической однородности кладок из газобетонных блоков. Действительно, геометрия блоков, произведенных на современных линиях, позволила выполнять кладку из блоков не на цементно-песчаном растворе (далее — ЦПР), а на специальных клеевых цементных составах, при использовании которых толщина швов оказывается не 6–10 мм (как при использовании ЦПР), а 2–3 мм. Это обстоятельство, безусловно, положительно сказывается на уменьшении потерь теплоты через сквозные и несквозные теплопроводные включения. Однако в кладке стен из блоков к теплопроводным включениям следует относить не только швы кладки.
Если детально проанализировать конструктивные решения, то к теплопроводным включениям следует отнести примыкания поперечных внутренних стен и колонн к наружным стенам, дверные и оконные перемычки, армированные пояса, места примыкания дисков плит перекрытий к наружным ненесущим стенам, места опирания железобетонных плит на наружные несущие стены, места сопряжения цоколя к стенам, гибкие и жесткие связи, анкера для крепления слоя теплоизоляции и т. д. Наличие теплотехнических неоднородностей в стенах из газобетонных блоков значительно ухудшает их фактическое сопротивление теплопередаче [9].
Расчеты, выполненные для одного промежуточного этажа монолитно-каркасного здания, наружные ограждения которого заполнены кладкой из газобетонных блоков толщиной 375 мм и лицевого кирпича толщиной 120 мм, показывают, что коэффициент теплотехнической однородности оказывается не больше 0,61, а приведенное сопротивление теплопередаче оказывается меньше не только базового значения по таблице 3 СП 50.13330, но и нормируемого значения, установленного по формуле (1) СП 50.13330 с понижающим коэффициентом 0,63. При условном сопротивлении теплопередаче стеновой конструкции, выполненной кладкой из газобетонных блоков марки по плотности D400 толщиной 375 мм с лицевым слоем из облицовочного кирпича толщиной 120 мм, равном 2,99 м2·K/Вт, приведенное сопротивление теплопередаче оказывается равным 1,81 м2·K/Вт [10], что для климатических условий Москвы и Санкт-Петербурга меньше как требуемого значения сопротивления теплопередаче (2,99 м2·K/Вт), так и минимально-допустимого (2,99·0,63 = 1,88 м2·K/Вт). Аналогичные несоответствия выявлены авторами работы [11].
Рис. 1. Теплопроводные включения в оболочке строящегося жилого дома: 1 — сопряжение балконной плиты с наружной стеной; 2 — сопряжение междуэтажного перекрытия с наружной стеной; 3 — оконная перемычка; 4 — сопряжение наружной стены с цоколем
Предварительные расчеты показывают, что при толщине блоков 375 мм наружные стены жилых зданий без дополнительного утепления с коэффициентом теплотехнической однородности 0,61 удовлетворяют минимально допустимым значениям сопротивлений теплопередаче только для районов с ГСОП < 4200 °С∙сут/год (для которых базовое значение требуемого приведенного сопротивления теплопередаче наружных стен жилых зданий составляет 2,87 м2∙K/Вт, а нормируемое: 0,63∙2,87 = 1,81 м2∙K/Вт).
На одном из строящихся при участии проекта ПРООН-ГЭФ «Энергоэффективность на северо-западе России» объектов жилищного строительства в кладке были использованы стеновые изделия (блоки) из автоклавного газобетона. Когда кладка стен была закончена, было принято решение дополнительно утеплить наружные стены. И не столько для того, чтобы повысить сопротивление теплопередаче наружных стен, сколько для того, чтобы закрыть многочисленные теплопроводные включения (рис. 1).
На некоторых объектах наружные стены из газобетона могут пересекать поперечные железобетонные стены или железобетонные колонны.
Рис. 2. Теплотехнические дефекты в узлах примыкания оконного блока к стеновому проему
Ухудшение теплозащитных свойств стеновых конструкций в виде кладки газобетонных блоков выявлено и в эксплуатируемых зданиях [9]. В обследованных зданиях все наружные стены выполнены с наружной облицовкой кирпичной кладкой, без дополнительного слоя эффективной теплоизоляции. Анализ результатов показал, что более половины обследованных конструкций (62%) имеют дефекты, что указывает на их массовость. Все дефекты являются трудноустранимыми и требуют демонтажа строительных конструкций. Подавляющее большинство дефектов (90%) отмечается в узлах примыкания оконных блоков к стеновым проемам (рис. 2), что объясняется несоответствием оконных блоков нормативным требованиям по теплозащите, неправильной установкой оконных блоков, ненадлежащим качеством теплоизоляции монтажных швов. Дефекты в узлах сопряжения наружной стены с колонной (10%) объясняются наличием теплопроводных включений в виде железобетонных колонн каркаса здания вследствие отклонений от проекта (рис. 3). Практически половина обследованных конструкций (51%) подвержена конденсации влаги и образованию плесневых грибов при расчетных условиях. 11% обследованных конструкций имеют сквозное промерзание в узлах.
Рис. 3. Теплотехнический дефект в узле сопряжения наружной стены с железобетонной колонной
При правильной геометрии блоков изделия оказываются достаточно хрупкими. Это означает, что при транспортировке, особенно при подъезде грузового транспорта к объекту (где дороги часто бывают разбитыми, а съезды с них — неподготовленными), в процессе разгрузки поддонов стропами, при падении блоков в процессе переноски и монтажа многие изделия оказываются поврежденными (рис. 4, 5). Понятно, что все они идут в кладку, а трещины и выбоины заделываются кладочным раствором. Иногда кладка настолько пестрит растворными швами, что говорить о какой-либо ее однородности весьма затруднительно (рис. 6). Понятно, что при наружной отделке стен все эти дефекты кладки не будут видны, но теплопроводные включения (мостики холода) при этом никуда не исчезнут. Для повышения теплотехнической однородности и общего уровня теплозащиты наружных стен из газобетонных блоков необходимо устройство сплошного наружного слоя теплоизоляции.
Рис. 4. Повреждение блоков стропами при разгрузке поддонов
Сплошной наружный слой теплоизоляции, помимо прочего, увеличит долговечность внутреннего слоя стены, так как при внешнем утеплении блоки окажутся в области положительных температур. В результате в процессе эксплуатации они не будут испытывать циклы замораживания-оттаивания.
Таким образом, для большинства регионов, расположенных в центральной и северной частях Российской Федерации, толщины блоков 375–400 мм без дополнительного утепления оказывается недостаточно для обеспечения требуемых значений приведенного сопротивления теплопередаче.
Необходимо сказать и о специфике проектирования тепловой защиты зданий с наружными стенами из газобетонных блоков. Многочисленные обсуждения этой проблемы на последних конференциях и в научных публикациях показывают наличие важных задач, решение которых крайне необходимо в сегодняшних условиях.
Рис. 5. Повреждение нижних рядов изделий при нарушении условий транспортировки
Во-первых, о чем уже было сказано выше, это увеличение неравноэффективности теплозащиты элементов оболочки. Значительно возрастает влияние двух- и трехмерных элементов в конструкции, неравномерность распределения температуры на ее внутренней поверхности, снижается теплотехническая однородность ограждающих конструкций. Необходимы расчеты трехмерных температурных полей и разработка новых конструктивных решений.
Во-вторых, значительно увеличивается роль влажностного режима. Причем если по глади стены распределение влажности может быть более благоприятным, чем раньше, то в краевых зонах ограждающих конструкций влажностный режим значительно ухудшается, и главное в том, что существенно возрастает сложность расчета процессов совместного нестационарного влаготеплопереноса в трехмерных областях ограждающих конструкций.
В-третьих, кладка газобетонных блоков является воздухопроницаемой, особенно в зоне вертикальных швов. Инфильтрация наружного воздуха приводит к ухудшению теплозащитных свойств ограждающих конструкций. Эксфильтрация внутреннего воздуха в стеновые конструкции также чрезвычайно опасна.
Все перечисленные выше особенности важно учитывать как во вновь строящихся, так и в реконструируемых зданиях с наружными стенами из газобетонных блоков. Это улучшение температурно-влажностного режима наружных стен, разработка эффективных конструктивных решений узлов сопряжений ограждающих конструкций с целью выравнивания температуры на внутренней поверхности, снижение сквозной воздухопроницаемости через швы кладки, повышение комфортных условий среды в помещениях, энергосбережение и повышение энергоэффективности зданий.
Рис. 6. Укладка поврежденных изделий в стену (узел сопряжения кладки газобетонных блоков с фундаментом)
2.4. Как правильно производить экономическую оценку технических решений?
Как было указано во введении, низкая стоимость изделий из автоклавного газобетона (3100–4500 рублей/м3 применительно для северо-западных и центральных районов страны) является существенным их преимуществом по сравнению с иными стеновыми каменными материалами и изделиями. Можно уверенно утверждать, что именно экономический фактор оказался определяющим для столь впечатляющего распространения данного типа изделий в практике строительства жилых и общественных объектов на территории Российской Федерации.
Однако при сравнительной экономической оценке того или иного технического решения обычно принимается стоимость квадратного метра стенового ограждения. Такой подход далеко не всегда оказывается справедливым.
Для более полного пояснения данного предположения рассмотрим заполнение наружных стен железобетонных монолитно-каркасных зданий газобетонными блоками толщиной 375 мм. Пусть площадь фасадов проектируемого жилого многоквартирного здания составляет 10 000 м2. Это означает, что при высоте этажа 3 м (от уровня пола до уровня пола вышерасположенного этажа) периметр наружных стен составит примерно:
10 000 / 3 = 3 333 (п. м).
Тогда при толщине блоков 375 мм под ними окажется площадь, равная:
3 333 × 0,375 = 1250 (м2).
При стоимости квадратного метра жилья 80 000 руб/м2 это будет означать потерю под блоками:
1250 м2 × 80 000 руб/м2 = 100 000 000 (рублей).
И далее оказывается, что при заполнении наружных ограждений монолитно-каркасных зданий выгоднее применить каменные изделия толщиной 250 мм и даже несмотря на последующее утепление стен получить количественный выигрыш в полезной площади. Этот количественный выигрыш окажется еще более значительным, если правильно посчитать транспортные расходы и погрузочно-разгрузочные затраты непосредственно на объекте.
В этой связи оказывается, что на себестоимости строительства в большей степени сказывается не низкая стоимость применяемых изделий, а неумение правильно спланировать работы и рассчитать баланс расходов на строительство и доходов с продаж.
3. Применение газобетонных изделий в странах Европы
Газобетон как строительный материал для возведения стеновых конструкций за последние 15 лет получил широкое распространение в России, Республике Беларусь, на Украине. Материал остается популярным, хотя и применяется не столь широко в странах Восточной Европы (Польше, Чехии, Румынии и др.). В странах Западной Европы и Скандинавии его использование в настоящее время крайне незначительно.
Основные ограничения для его более широкого использования связаны с невозможностью обеспечения нормативных показателей по уровню теплоизоляции (для наружных стен) и уровню звукоизоляции (для внутренних стен и перегородок), принятых в странах Западной Европы, высокая начальная влажность и высокий вес влажных изделий. В любом случае, для северных стран Западной Европы использование газобетона в качестве конструкционного основания наружных стен требует, согласно законодательствам этих стран в области энергосбережения, дополнительного утепления стен с использованием эффективных теплоизоляционных материалов. В этом случае для обеспечения надежности крепления слоя теплоизоляции к основанию, а также крепления внутреннего (конструкционного) и наружного (облицовочного) слоев более эффективными оказываются материалы с более высокой плотностью (керамический кирпич, керамические камни, силикатный кирпич, силикатные и бетонные блоки и пр.). Использование в качестве основания более плотных материалов позволяет обеспечить более высокую надежность анкерных креплений и, как следствие, более высокую долговечность наружных стен. Незначительная начальная влажность керамических изделий и более низкая начальная влажность силикатных стеновых изделий (кирпич, крупноформатные камни) предупреждает возможность перетопов в первые годы эксплуатации зданий и повышает стойкость фасадной отделки.
Заключение
Газобетон как материал, применяемый для кладки наружных и внутренних стен зданий, имеет неоспоримые достоинства, среди которых необходимо особо выделить следующие:
— газобетон относится к группе негорючих строительных материалов;
— изделия имеют высокую точность габаритных размеров;
— изделия технологичны при строительстве (изделия легко пилятся, штробятся, режутся, сверлятся);
— по сравнению с другими типами каменных материалов (керамические камни, керамический и силикатный кирпич, керамзитобетонные блоки) кладка стен из газобетонных блоков характеризуется повышенной производительностью в связи с незначительной плотностью и большим объемом блоков.
Однако материал обладает и рядом ограничений в применении, которые следует учитывать при проектировании и строительстве стеновых конструкций с использованием изделий из автоклавного газобетона (блоков). К таковым следует отнести:
— наличие критической влажности, при достижении которой и последующем замораживании кладки может происходить ее постепенное повреждение вплоть до полного разрушения;
— высокая начальная влажность изделий, из-за которой в зданиях, построенных из газобетонных блоков, в первые годы эксплуатации может наблюдаться значительный перетоп;
— низкая теплотехническая однородность стеновых конструкций, обусловленная наличием большого количества теплопроводных включений в составе наружных стен, выполненных кладкой из газобетонных блоков без дополнительного утепления;
— изделия достаточно хрупкие, поэтому при падении, а также при транспортировке и погрузочно-разгрузочных работах могут раскалываться на части, на изделиях могут появляться трещины, выбоины и сколы, которые при монтаже, как правило, замазываются строительным раствором, что в еще большей степени понижает теплотехническую однородность стен;
— ввиду низкой теплотехнической однородности стен в виде кладки из газобетонных блоков для климатических районов с ГСОП ≥ 4200 °С∙сут/год толщина блоков 375–400 мм без дополнительного утепления оказывается недостаточной для обеспечения требуемых значений приведенного сопротивления теплопередаче;
— кладка стен из газобетонных блоков, особенно при эксплуатации зданий без наружной отделки, а также при незаполненных раствором вертикальных пазогребневых швов, характеризуется высокой воздухопроницаемостью, что повышает расход тепловой энергии при эксплуатации в отопительные периоды;
— при учете стоимости полезной площади, которая при заполнении блоками на толщину 375–400 мм наружных ограждений каркасно-монолитных зданий, относительно низкая стоимость изделий далеко не всегда оказывается экономически обоснованной в многоэтажном строительстве.
Распространенные стереотипы о том, что газобетон «боится» воды или о том, что он «сосет» влагу из воздуха, следует охарактеризовать не более чем мифы. Однако при кладке наружных стен из блоков следует избегать условий, при которых существует риск полного или частичного увлажнения стеновых конструкций, особенно опасного при достижении газобетоном критического значения влажности, при котором происходит заполнение водой не только капилляров, но и резервных пор.
Рекомендации по применению
Не рекомендуется использование изделий из автоклавного газобетона в помещениях с влажным (с влажностью внутреннего воздуха свыше 60 до 75%) и мокрым (с влажностью внутреннего воздуха свыше 75%) режимами эксплуатации.
Не рекомендуется использование газобетонных блоков без дополнительного утепления в климатических районах с ГСОП ≥ 4200 °С∙сут/год.
При соответствующем теплотехническом и прочностном обосновании допускается применение изделий толщиной 300–400 мм без дополнительного утепления для районов с ГСОП < 4200 °С∙сут/год. Коэффициент теплотехнической однородности наружных стен, выполненных кладкой из газобетонных блоков на цементных составах без дополнительного утепления, без соответствующего теплотехнического обоснования следует принимать не выше 0,65.
Не рекомендуется при определении расчетных теплотехнических показателей ячеистых бетонов автоклавного твердения использовать данные таблиц 1 и А.1 ГОСТ 31359, как недостаточно обоснованные.
Основную область применения газобетонных блоков рекомендуется сосредоточить в сегменте малоэтажного (коттеджного) строительства. При этом при возведении индивидуальных жилых домов с сезонным (летним) режимом проживания допускается возведение наружных стен из газобетонных блоков толщиной от 300 мм без дополнительного утепления. При строительстве индивидуальных малоэтажных жилых домов, предназначенных для круглогодичного проживания (в том числе в отопительные периоды), рекомендуется дополнительное утепление стен с использованием эффективных теплоизоляционных материалов (например, изделий теплоизоляционных из стеклянного или каменного волокна, пенополистирола фасадных марок и пр.). Толщину кладки из газобетонных блоков при этом следует назначать только из обеспечения требований по прочности и устойчивости.
Список литературы:
Немова Д. В., Спиридонова Т. И., Куражова В. Г. Неизвестные свойства известного материала // Строительство уникальных зданий и сооружений. 2012. № 1. С. 36–46.
Ватин Н. И., Немова Д. В., Рымкевич П. П., Горшков А. С. Влияние уровня тепловой защиты ограждающих конструкций на величину потерь тепловой энергии в здании // Инженерно-строительный журнал. 2012. № 8 (34). С. 4–14.
Горшков А. С., Гринфельд Г. И., Мишин В. Е., Никифоров Е. С., Ватин Н. И. Повышение теплотехнической однородности стен из ячеисто-бетонных изделий за счет использования в кладке полиуретанового клея // Строительные материалы. 2014. № 5. С. 57–64.
Крутилин А. Б., Рыхленок Ю. А., Лешкевич В. В. Теплофизические характеристики автоклавных ячеистых бетонов низких плотностей и их влияние на долговечность наружных стен зданий // Инженерно-строительный журнал. 2015. № 2 (54). С. 46–55.
Альбом технических решений по применению изделий из автоклавного газобетона торговая марка Н+Н в строительстве жилых, общественных и промышленных зданий. Материалы для проектирования и рабочие чертежи узлов (издание второе, переработанное и дополненное). — Санкт-Петербург, 2014. — 156 с.
Ватин Н. И., Горшков А. С., Глумов А. В. Влияние физико-технических и геометрических характеристик штукатурных покрытий на влажностный режим однородных стен из газобетонных блоков // Инженерно-строительный журнал. 2011. № 1. С. 28–33.
Пинскер В. А., Вылегжанин В. П., Гринфельд Г. И. Теплофизические испытания фрагмента кладки стены из газобетонных блоков «АЭРОК СПб» марки по плотности D 400 / Ячеистые бетоны в современном строительстве. Сборник докладов. Выпуск 5. — Санкт-Петербург: НП «Межрегиональная северо-западная строительная палата», Центр ячеистых бетонов, 2008. — С. 48–51.
Корниенко С. В. Проблемы теплозащиты наружных стен современных зданий // Интернет-вестник ВолгГАСУ. 2013. № 1 (25). С. 13.
Горшков А. С., Рымкевич П. П., Ватин Н. И. О теплотехнической однородности двухслойной стеновой конструкции // Энергосбережение. 2014. № 7. С. 58–63.
Гагарин В. Г. Теплофизические проблемы современных стеновых ограждающих конструкций многоэтажных зданий // Academia. Архитектура и строительство. 2009. № 5. С. 297–305.
Д. А. Захаров, генеральный директор ООО «ЭкоФильтр»
Изучение состояния микроклимата в рабочей зоне производственных помещений деревообрабатывающих предприятий, образуемого при совместной работе аспирационных пневмотранспортных систем с рециркуляцией воздуха (АсПТСРВ) и систем приточно-вытяжной вентиляции, выявило ряд серьезных недостатков раздельной подачи рециркулируемого и приточного воздуха в производственные помещения этими системами.
Рециркуляционный агрегат для производственных помещений (РА) [1] осуществляет 9 функций, одной из которых является смешение приточного и рециркулируемого воздуха в единый поток, имеющий комфортные для восприятия значения температуры и относительной влажности. Смешанный воздух подается в рабочую зону производственного помещения для создания в ней комфортного микроклимата.
Раздельная подача рециркулируемого и приточного воздуха в производственные помещения образует три группы недостатков, вызывающих:
— ухудшение условий труда в производственных помещениях;
— увеличение эксплуатационных затрат на обслуживание АсПТСРВ и систем приточно-вытяжной вентиляции, расположенных на различных площадках;
— увеличение энергозатрат в системах приточно-вытяжной вентиляции на нагревание и охлаждение приточного воздуха в холодный и теплый периоды года из-за вынужденного ограничения величины относительной влажности приточного воздуха (φпр max = 0,75).
К недостаткам, вызывающим ухудшение условий труда в производственных помещениях, относятся:
1. Наличие в производственном помещении перекрестных воздушных потоков рециркулируемого и приточного воздуха, образующих сквозняки, сопровождаемые низкой температурой (tпр = 15 °С) и высокой относительной влажностью (φпр = 0,75) приточного воздуха в холодный период года, которые вызывают простудные заболевания и появление миозитов у работающих.
2. Плохое качество смешения свежего приточного воздуха, обогащенного отрицательными аэроионами, которые необходимы для нормального дыхания работающих, и рециркулируемого воздуха, прошедшего глубокую фильтрацию и имеющего нулевое содержание отрицательных аэроионов.
3. Неравномерное распределение приточного воздуха по рабочим местам.
Плохое качество смешения приточного и рециркулируемого воздуха и неравномерное распределение приточного воздуха по рабочим местам образуют дефицит отрицательных аэроионов в рабочей зоне, который вызывает снижение иммунитета и производительности труда, повышение заболеваемости работающих и увеличение числа больничных листов.
Разработанный авторами «Рециркуляционный агрегат для производственных помещений» (РА) [1] укрупненно содержит в одном корпусе высокоэффективный рукавно-картриджный фильтр (РКФ) [2] многоотраслевого применения для трехступенчатой очистки аспирационного воздуха от пыли (Е = 99,99999%) с высоким начальным пылесодержанием Сн (до 50 000 мг/м3) и встроенный смесительный модуль с кондиционером, имеющим гибридную DEC-систему, установкой обратного осмоса для деминерализации водопроводной воды со шкафом управления и насосом высокого давления. РА является многофункциональным агрегатом, осуществляющим следующие функции:
— аспирации рабочей зоны;
— транспортирования отходов механической обработки по трубам от технологического оборудования к РКФ;
— трехступенчатой очистки аспирационного воздуха в РКФ;
— деминерализации водопроводной воды в установке обратного осмоса;
— дозированной подачи деминерализованной воды к адиабатическим увлажнителям кондиционера;
— кондиционирования приточного воздуха с получением параметров (tк = 15 °С, φк = 0,875÷0,825);
— смешения влажного кондиционированного воздуха с параметрами (tк = 15 °С, φк = 0,875÷0,825) с очищенным в РКФ более сухим рециркулируемым воздухом с параметрами (tрец = 20 °С и φрец = 0,5);
— подачи единого потока смешанного воздуха вентилятором (РА) в производственное помещение;
— обеспечения требуемого отрицательного или положительного дисбаланса в воздухообмене производственного помещения за счет регулирования производительности вентиляторов приточной и вытяжной камер кондиционера.
РА заменяет раздельные потоки рециркулируемого и приточного воздуха, вызывающие вышеперечисленные недостатки, на единый поток качественно смешанного кондиционированного приточного и очищенного в РКФ рециркулируемого воздуха с параметрами, обеспечивающими его комфортное восприятие поверхностью тела и органами дыхания работающих.
При использовании РА совместно с разветвленным воздуховодом переменного сечения, размещаемым в производственном помещении, равномерно раздающим смешанный рециркулируемый и приточный воздух непосредственно по рабочим местам, с выходом смешанного воздуха в рабочую зону через низкоскоростные воздухораспределители «Арктос» типа 1ВНК или 1ВНУ, устанавливаемые на полу и обеспечивающие принцип вытесняющей вентиляции, создается комфортный микроклимат в рабочей зоне производственных помещений.
При этом устраняются всасывающий и приточный воздуховоды в производственном помещении.
В статье приводится описание конструкции рециркуляционного агрегата для производственных помещений [1] и дается алгоритм с формулами для расчета параметров по зонам тепловлажностного состояния приточного и вытяжного воздуха сравниваемых кондиционеров (с гибридной [1] и классической [3] DEC-системами) в холодный и теплый периоды года. Приводится расчет повышения энергетической эффективности гибридной DEC-системы по сравнению с классической DEC-системой [3].
Описание конструкции рециркуляционного агрегата для производственных помещений РА
Базовым агрегатом РА является модульный рукавно-картриджный фильтр (РКФ) [2], который выпускается ООО «ЭкоФильтр» с линейной производительности от 20 000 до 100 000 м3/ч и набираемый из модулей производительностью 10 000 м3/ч. В зависимости от производительности в базовый агрегат РА встраивается один или два смесительных модуля для кондиционирования приточного воздуха и его смешения с очищенным в РКФ рециркулируемым воздухом.
ООО «ЭкоФильтр» готовит для запуска в производство две модификации РА.
Модификация РА1 производительностью от 20 000 до 50 000 м3/ч. РА1 будет содержать один РКФ и один смесительный модуль.
Модификация РА2 производительностью от 60 000 до 100 000 м3/ч. РА2 будет содержать два РКФ и два смесительных модуля.
На рис. 1 приведена конструкция рециркуляционного агрегата для производственных помещений [1] модификации РА2.
Рис. 1. Конструкция рециркуляционного агрегата для производственных помещений [1]
Рециркуляционный агрегат модификации РА2 (рис. 1) состоит из двух рукавно-картриджных фильтров (РКФ) и двух встроенных модулей 21 кондиционирования приточного воздуха и его смешения с рециркулируемым дополнительно очищенным воздухом. Каждый РКФ содержит модуль двухступенчатой очистки воздуха 1 и модуль дополнительной очистки воздуха 2. Модуль двухступенчатой очистки воздуха 1 содержит входную пылеосадочную камеру 3 с входным патрубком загрязненного воздуха 4, основную пылеулавливающую камеру 5 с секциями каркасных фильтрующих рукавов, основной бункер 6 с разгрузителем и шлюзовым затвором 7, камеру очищенного воздуха 8.
Модуль дополнительной очистки воздуха 2 содержит камеру дополнительного пылеулавливания 11 с секциями фильтрующих картриджей, дополнительный бункер 12 с разгрузителем и шлюзовым затвором 13, разгружающим мелкодисперсную пыль в контейнер 14, и камеру дополнительно очищенного воздуха 15.
При этом модули двухступенчатой очистки воздуха 1 установлены зеркально, а входные пылеосадочные камеры 3 и камеры очищенного воздуха 8 соединены попарно с примыканием друг к другу через вертикальные разделительные перегородки. Кроме этого, модули двухступенчатой очистки воздуха 1 установлены в рециркуляционном агрегате между модулями дополнительной очистки воздуха 2 с обеспечением поступления в них двух противоположно направленных потоков очищенного воздуха через входные окна 10, а встроенные модули 21 кондиционирования приточного воздуха и его смешения с рециркулируемым дополнительно очищенным воздухом размещены по краям рециркуляционного агрегата с охватом задних торцовых стенок камер дополнительного пылеулавливания 11 и дополнительно очищенного воздуха 15. При этом вертикальная разделительная перегородка между камерами очищенного воздуха 8 снабжена центральной дверью, обеспечивающей совместно с сервисными дверьми в передних и задних торцовых стенках камер дополнительно очищенного воздуха 15 и сервисными решетчатыми трапами через входные окна 10 для очищенного воздуха сквозной сервисный проход по всей длине рециркуляционного агрегата, а шлюзовые затворы 7 основных бункеров 6 снабжены собирающим тройником 9, обеспечивающим выгрузку уловленных механических примесей из основных бункеров 6 в одно транспортное средство 26 для удаления механических примесей. Дополнительно очищенный воздух через выпускные патрубки 18 и собирающий коллектор 19 подается центробежным вентилятором 20 в воздуховод 25 для смешения кондиционированного приточного и дополнительно очищенного рециркулируемого воздуха.
Водопроводная вода подается в установку обратного осмоса 23 для ее деминерализации, из которой деминерализованная вода подается насосом высокого давления в адиабатические увлажнители кондиционера 22 для распыления через форсунки методом высокого давления humi Fog (Carel).
Описание конструкции встроенного смесительного модуля
На рис. 2 приведена конструкция встроенного смесительного модуля для кондиционирования приточного воздуха и его смешения с дополнительно очищенным рециркулируемым воздухом.
Центробежный вентилятор 20 встроенного смесительного модуля 21 подает дополнительно очищенный в РКФ воздух в рециркуляционный воздуховод 27, который снабжен двумя встроенными в него односторонними тройниками с прямой врезкой 28 и 35, первый из которых по ходу воздушного потока 28 выполнен раздающим, а второй 35 — собирающим, и воздуховодом 25 для смешения кондиционированного приточного и дополнительно очищенного воздуха, соединенным на выходе с выпускным двусторонним патрубком 36 для единого потока смешанного кондиционированного приточного и рециркулируемого дополнительно очищенного воздуха.
Свежий наружный воздух поступает во входной патрубок 33 приточной камеры 30 кондиционера 22. Прямая врезка раздающего одностороннего тройника 28 рециркуляционного воздуховода дополнительно очищенного воздуха 27 соединена воздуховодом 37 с входным патрубком 31 вытяжной камеры 29 кондиционера 22, а выпускной патрубок 34 приточной камеры 30 кондиционера 22 соединен воздуховодом 38 с прямой врезкой собирающего одностороннего тройника 35 рециркуляционного воздуховода 27 дополнительно очищенного воздуха. Отработанный в кондиционере вытяжной воздух выбрасывается через выпускной патрубок 32 вытяжной камеры 29 в атмосферу. При одинаковой производительности вентиляторов приточной 30 и вытяжной 29 камер объемный расход воздуха, выходящего из двустороннего патрубка 36, будет равен объемному расходу дополнительно очищенного воздуха (м3/ч) в рециркуляционном воздуховоде 27 на выходе из центробежного вентилятора 20. Рециркуляционный воздуховод 27 снабжен управляемыми воздушными клапанами 39 и 40. Клапан 39 выполнен нормально закрытым, а клапан 40 нормально открытым.
При открытом воздушном клапане 39 и закрытом клапане 40 дополнительно очищенный воздух выбрасывается в атмосферу через отверстие 41.
Описание принципиальной схемы кондиционера с гибридной DEC-системой
Рис. 3. Принципиальная схема кондиционера с гибридной DEC-системой [1]
Принципиальная схема кондиционера с гибридной DEC-системой приведена на рис. 3.
Гибридная DEC-система 43 состоит из двух рекуператоров — адсорбционного роторного рекуператора 45 и пластинчатого трехкаскадного рекуператора V-образного исполнения 46 с волнообразными вставками между пластинами, адиабатических увлажнителей приточного 49 и вытяжного 51 воздуха и нагревателя 52 вытяжного воздуха.
Суммарная эффективность рекуперации теплоты пластинчатым трехкаскадным перекрестноточным рекуператором V-образного исполнения с волнообразными вставками между пластинами определялась по формуле
где n — число пластинчатых теплообменников с волнообразными вставками в трехкаскадном рекуператоре V-образного исполнения; n = 3; Φ_c_Ri— сухая эффективность рекуперации теплоты пластинчатым рекуператором с волнообразными вставками. Для теплообменников компании Klingenburg Φ_c_Ri = 0,7.
Расчетную мощность Np, кВт, воздухонагревателя вытяжного воздуха 52 определяют по формуле
где Gc — массовый поток сухого вытяжного воздуха, кг/ч; Срс — удельная массовая теплоемкость сухого воздуха, кДж/кг; Срс = 1,005; Δt_9,8_Ηmax— максимальный перепад температур на нагревание вытяжного воздуха в нагревателе кондиционера в холодный и теплый периоды года, °С. Определяется из выражения
где t8, t9 — температура вытяжного воздуха на входе и на выходе из нагревателя, °С; 3600 — коэффициент перевода кДж в кВт.
Зависимость перепада температур на нагревание вытяжного воздухаΔt_9,8_Η в кондиционере от относительной влажности приточного воздуха φ5
Таблица 1
С целью экономии энергозатрат на кондиционирование приточного воздуха его нагревание в кондиционерах производственных помещений обычно ведут до t5 = 15 °C.
При раздельной подаче приточного и рециркулируемого воздуха в производственное помещение относительную влажность приточного воздуха при t5 = 15 °C устанавливают равной φ5 ≤ 75 %. Однако при смешении влажного приточного и более сухого рециркулируемого воздуха величину относительной влажности приточного воздуха φ5 можно повысить и получить при этом энергосбережение.
Выбор величины относительной влажности приточного воздуха φ5 осуществлялся по результатам расчета параметра Δt_9,8_Η, характеризующего величину энергозатрат, в зависимости от величины φ5, которые приведены в табл. 1.
Из табл. 1 следует, что при заданной температуре приточного воздуха t5 = 15 °C и параметрах наружного воздуха (t1 = -30 °C, φ1 = 0,83) увеличение относительной влажности приточного воздуха φ5 с 0,75 до 0,825 приводит в кондиционере с гибридной DEC-системой и эффективностью рекуперации теплоты пластинчатым трехкаскадным рекуператором Φ_t_R2 к снижению перепада температур на нагревание вытяжного воздуха Δt_9,8_Η с 57,7 до 12,3 °С, и дефицита влаги Δd5,4 c 5,71 до 3,84 г/кг сух.возд. При этом температура приточного воздуха на выходе из адсорбционного роторного рекуператора t2 уменьшается с 85,6 до 48,8 °С, а температура вытяжного воздуха на выходе из нагревателя t9 уменьшается с 135,1 до 57,5 °С.
Дальнейшее увеличение относительной влажности приточного воздуха φ5 с 0,825 до 0,85 при t1 = -30 °C приводит к уменьшению значений температуры t2 и t9 и ухудшению качества регенерации адсорбента, которым покрыты ячейки матрицы адсорбционного ротора. Поэтому для диапазона температур наружного воздуха t1 = 0÷(-30) °C и t5 = 15 °C следует рекомендовать величину относительной влажности приточного воздуха φ5 = 0,825.
Параметры приточного и вытяжного воздуха сравниваемых кондиционеров с DEC-системой в холодный период года
Таблица 2
Таблица 2 (продолжение)
Значения параметров приточного и вытяжного воздуха в сравниваемых кондиционерах с гибридной и классической DEC-системами в холодный период года приведены в табл. 2.
В сравниваемых кондиционерах используются:
— в качестве рекуператора № 1 в гибридной и классической DEC-системах адсорбционное колесо Hoval;
— в качестве рекуператора № 2 — в гибридной DEC-системе — пластинчатый трехкаскадный рекуператор V-образного исполнения, а в классической DEC-системе — роторный рекуператор-теплообменник.
Рассчитанные в табл. 2 значения температур вытяжного воздуха на выходе из нагревателя 52 (t9), °С, сравниваемых кондиционеров обеспечиваются за счет регулирования мощности Nрасч нагревателя 52, которая определяется по формуле (2).
В расчет температуры вытяжного воздуха t9 (табл. 2) для сравниваемых кондиционеров в холодный период года заложены значения относительной влажности приточного воздуха на выходе из адиабатического увлажнителя φ5, обеспечивающие получение температуры вытяжного воздуха на выходе из нагревателя t9 > 55 °С, которая гарантирует хорошее качество регенерации адсорбента в адсорбционном колесе Hoval в диапазоне температур наружного воздуха t1 = 0÷(-30) °С.
Параметры приточного и вытяжного воздуха сравниваемых кондиционеров с DEC-системой в теплый период года
В теплый период года в кондиционере с гибридной DEC-системой работает только один адиабатический увлажнитель вытяжного воздуха 51, а в кондиционере с классической DEC-системой [3] оба адиабатических увлажнителя приточного 49 и вытяжного 51 воздуха.
Таблица 3
Параметры приточного и вытяжного воздуха в сравниваемых кондиционерах в теплый период года, рассчитанные по формулам табл. 2, приведены в табл. 3.
Температура tсм и относительная влажность φсм смешанного кондиционированного и рециркулируемого воздуха
Построение процесса смешения кондиционированного приточного и рециркулируемого воздуха в холодный период года осуществлялось по стандартной методике [5] на i—d-диаграмме при следующих параметрах кондиционированного (к) и рециркулируемого (рец) воздуха:
При этом массовые потоки сухого воздуха составляют:
— для рециркулируемого воздуха
— для кондиционированного воздуха
Коэффициент смешения составил m = 54 000:6047 ≈ 9.
Число частей на адиабате 1–2 1 + m = 1 + 9 = 10.
Точка 1 строится на пересечении изотермы tк = 15 °С и линии влагосодержания dк = 8,79 г/кг сух. возд., а точка 2 — на пересечении изотермы tрец = 20 °С и линии влагосодержания dк = 7,29 г/кг сух. возд.
От точки 1 откладывают отрезок, пропорциональный Gрец (9 частей) и получают точку 3, по которой определяются все параметры смеси (рис. 4):
— температура 19,2 °С
— влагосодержание 7,5 г/кг сух. возд.
— относительная влажность 0,525.
Установленная мощность воздухонагревателя вытяжного воздуха кондиционера
Расчетная мощность нагревателя вытяжного воздуха для кондиционера с гибридной DEC-системой составит
Δt_9,8_Ηmax — максимальный перепад температур на нагревание вытяжного воздуха в нагревателе 52, °С Δt_9,8_Ηmax = 16,6 °С (табл. 2).
Установленная мощность нагревателя составит Nу = 35 кВт.
Заключение
1. Рециркуляционный агрегат для производственных помещений (РА) [1] является многофункциональным агрегатом, так как выполняет девять функций.
2. РА является агрегатом многоотраслевого применения и создан методом агрегатирования с применением в качестве базового агрегата рукавно-картриджного фильтра (РКФ) многоотраслевого применения.
3. Применение в РА кондиционера с гибридной DEC-системой по сравнению с кондиционером, имеющим классическую DEC-систему [3], обеспечивает повышение энергоэффективности гибридной DEC-системы ФDEC, %:
• в холодный период года в диапазоне температур t1 = 0÷(-30) °С на ~ 43%;
• в теплый период года в диапазоне температур t1 = 11÷30 °С на 61,8÷62,8%.
4. Смешение кондиционированного влажного приточного воздуха с параметрами (tк = 15 °С и φк = 0,875÷0,825) с более сухим рециркулируемым воздухом, имеющим параметры (tрец = 20 °С и φрец = 0,5), обеспечивает получение единого потока смешанного воздуха с параметрами (tсм = 19÷19,2 °С и φсм = 0,53÷0,52).
5. РА обеспечивает снижение эксплуатационных расходов на техническое обслуживание РКФ, кондиционера и установки обратного осмоса для деминерализации воды с насосом высокого давления за счет расположения указанного оборудования в одном корпусе РА.
6. При использовании РА совместно с разветвленным воздуховодом переменного сечения, размещаемым в производственном помещении и равномерно раздающим смешанный рециркулируемый и приточный воздух непосредственно по рабочим местам с выходом смешанного воздуха в рабочую зону через низкоскоростные воздухораспределители «Арктос» типа 1ВНК или 1ВНУ, устанавливаемые на полу и обеспечивающие принцип вытесняющей вентиляции, создается комфортный микроклимат в рабочей зоне производственных помещений.
7. Применение в РА рукавно-картриджного фильтра (РКФ) с эффективностью очистки аспирационного воздуха Е = 99,99999% и кондиционера с гибридной DEC-системой позволяет отнести РА к «экологически чистым» системам, которые отвечают требованию «обеспечения устойчивости среды обитания», предъявляемому международными рейтинговыми программами LEED, BREEM, DGNB к инженерным системам ОВК нового поколения.
Литература
1. Патент РФ на изобретение № 2569245. Рециркуляционный агрегат для производственных помещений / В. Е. Воскресенский, А. М. Гримитлин, Д. А. Захаров. Опубл. 20.11.2015. Бюл. № 32.
2. Патент РФ на изобретение № 2539156. Фильтр рукавно-картриджный для очистки воздуха от механических примесей / В. Е. Воскресенский, А. М. Гримитлин, Д. А. Захаров. Опубл. 10.01.2015. Бюл. № 1.
3. Воскресенский В. Е., Гримитлин А. М. Адиабатическое увлажнение воздуха в кондиционерах с DEC-системой. Расчет величины косвенного охлаждения // Инженерные системы АВОК «Северо-Запад». № 4. 2015. С. 16–21.
4. Справочник по проектированию, монтажу и эксплуатации. Ротационные теплообменники для рекуперации тепловой энергии в вентиляционных установках. Hoval, 27 c. hoval-rekuperaciyatepla.ru/zoolu-website/media/document/ 4640/.
5. Воскресенский В. Е. Системы пневмотранспорта пылеулавливания и вентиляции на деревообрабатывающих предприятиях. Теория и практика: в 2 т. Т. 2, ч. 2: Системы вентиляции: учебное пособие. СПб.: АВОК «Северо-Запад». 2012. 704 с.: ил.
М. И. Куколев, профессор кафедры «Гидравлика» Инженерно-строительного института СПбГПУ
В статье рассматриваются особенности применения нескольких теплоаккумулирующих материалов в одном тепловом накопителе, что нередко встречается на практике. Сочетания могут быть различными: несколько жидких однофазных материалов, несколько твердых материалов или жидкие и твердые одновременно. Определены массогабаритные и теплофизические характеристики устройства. Приведены зависимости для последовательного включения накопителя в тепловую систему.
Повышение энергетической эффективности жилых и общественных зданий [1] напрямую связано с применением современного оборудования и, в частности, тепловых накопителей (ТН) энергии [2, 3]. На практике приходится сталкиваться с задачей оценки эффективности применения подобных систем, причем ее решение может осложняться одновременным применением нескольких теплоаккумулирующих материалов (ТАМ).
По аналогии с [4] рассмотрим расчетную схему плоской ячейки теплового накопителя последовательного включения с однофазным ТАМ (рис. 1). Вокруг канала с протекающим по нему теплоносителем тепловой системы расположены теплоаккумулирующие вещества. Массовый расход теплоносителя в канале m*, теплоемкость C_p— . При заряде температура теплоносителя на входе в накопитель T_ci больше температуры на выходе из него T_co. Протекая по каналу и остывая, горячий теплоноситель отдает энергию ТАМ. Накопление энергии происходит за счет теплоемкости, температура материала T_n возрастает.
При разряде температура теплоносителя на входе в накопитель T_di меньше температуры на выходе из него T_do. Протекая по каналу, холодный теплоноситель нагревается за счет остывания ТАМ. Температура материала T_n понижается.
Пусть ячейка матрицы ТН состоит из n — твердых однофазных материалов и имеет заполнение k— жидкими теплоаккумулирующими материалами. Общая масса матрицы M_Σ складывается из суммарных масс ТАМ однофазных твердых M_Σs и жидких M_Σi :
Определим массовые доли:
1) всех твердых ТАМ —
2) каждого из твердых ТАМ —
3) всех жидких ТАМ —
4) каждого из жидких ТАМ —
Объем матрицы V_Σ складывается из суммы объемов однофазных твердых ТАМ V_Σs и жидких V_Σi — .
Определим объемные доли:
1) всех твердых ТАМ —
2) каждого из твердых ТАМ —
3) всех жидких ТАМ —
4) каждого из жидких ТАМ —
Теплоемкость твердых ТАМ определится как:
где c_si — теплоемкость i -того твердого ТАМ.
Теплоемкость жидких ТАМ:
где c_li — теплоемкость i -того жидкого ТАМ.
Суммарная теплоемкость матрицы будет:
Каждый из ТАМ имеет некоторую критическую температуру T_kr . При ее достижении у жидких материалов начинается испарение с соответствующим возрастанием давления в ячейке, что может быть неприемлемым из конструктивных соображений. Твердые материалы при достижении критической температуры могут также разрушаться. Поэтому максимально достижимая температура нагрева матрицы из твердых и жидких ТАМ T_n = T_c_end будет определяться температурой T_kr = T_kr_min — минимальной критической температурой из всех применяемых ТАМ, причем T_c_end < T_kr_min.
Если матрица нагревается от начальной температуры T_n = T_o до конечной температуры T_n = T_c_end, то длительность этапа заряда ТН последовательного включения составит:
или в безразмерном виде:
Здесь η_c— энергетический КПД ТН при заряде;
— безразмерное число теплопередачи, где K_c — коэффициент теплопередачи от теплоносителя к ТАМ и F(x)— площадь поверхности теплообмена.
Если от матрицы с начальной температурой T_n = T_c_end и конечной температурой T_n = T_d_end отводится теплота, то длительность этапа разряда ТН последовательного включения составит:
или в безразмерном виде:
Здесь η_d — энергетический КПД ТН при разряде;
— безразмерное число теплопередачи, где K_d — коэффициент теплопередачи от ТАМ к теплоносителю в канале.
Зная безразмерные времена процессов заряда Θ_c_end и разряда Θ_d_end для ТН с несколькими ТАМ, далее проводят по соответствующим формулам расчет температур и эксергетических КПД системы [4].
Литература
Горшков А. С., Ватин Н. И., Рымкевич П. П. Реализация государственной программы повышения энергетической эффективности жилых и общественных зданий // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века, 2014. — № 1. — С. 39–46.
Бекман Г., Гилли П. Тепловое аккумулирование энергии. — М.: Мир, 1987. — 272 с.
Левенберг В. Д., Ткач М. Р., Гольстрем В. А. Аккумулирование тепла. — Киев: Тэхника, 1991. — 84 с.
Куколев М. И. Основы проектирования тепловых накопителей энергии. — Петрозаводск: Изд-во ПетрГУ, 2001. — 240 с.
Вот уже шесть лет, как вышел Федеральный закон № 261 «Об энергосбережении и повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные федеральные акты Российской Федерации».
Россия взяла курс на снижение потребляемых теплоэнергетических ресурсов в стране. Проделана большая работа, много уже сделано, но еще больше предстоит сделать. Честно говоря, кардинальных изменений от программы энергосбережения добиться не удалось.
До внесения поправок в федеральный закон основным отчетным документом обследования являлся энергетический паспорт здания, который не давал четкого представления путей снижения потребления энергетических ресурсов.
На рынке энергетических обследований появилось множество малых фирм, для которых качество проведенных обследований отходило на второй план. Спрос на услуги таких фирм оставался высоким, так как можно было получить энергетический паспорт здания за 5–10 тыс. руб., но качество таких обследований оставляло желать лучшего.
Вот тогда, когда всем уже было понятно, что дело зашло в тупик, начали думать, зачем проводить энергетические обследования, если они не дают реальной маршрутной карты по уменьшению использования энергетических ресурсов. В первую очередь нужно разобраться, какой вид энергии расходуется с избытком, не учитывая реальной потребности ресурса.
Таб.№1 Классы энергетической эффективности в соответствии с директивами ЕС
При постоянном повышении цен коммунальных услуг понимаешь, что в первую очередь в снижении потребления энергетических ресурсов заинтересован конечный потребитель, а достичь снижения возможно посредством оптимизации их использования. Использование энергоэффективного промышленного и бытового оборудования с высоким классом энергетической эффективности является одним из основных требований программы энергосбережения.
В настоящее время Приказ министерства энергетики Российской Федерации от 30 июня 2014 г. № 400 «Об утверждении требований к проведению энергетического обследования и его результатам и правил направления копий энергетического паспорта, составленного по результатам обязательного энергетического обследования» (вступивший в силу с 10 января 2015 года) устанавливает четкие рамки, что должно быть обследовано при проведении энергетического обследования. Энергетический паспорт отходит на второй план, основным документом становится отчет по проведению энергетического обследования, в котором проводится анализ использования энергетических ресурсов, указываются энергетические классы оборудования и разрабатываются мероприятия по повышению энергетической эффективности объекта.
По ходу проведения работ энергетического обследования необходимо выполнять следующие этапы:
— проведение сбора исходной информации об объекте обследования;
— проведение визуального и инструментального обследования объекта обследования;
— анализ информации, полученной на этапах сбора исходной информации, визуального и инструментального обследования объекта обследования;
— оценка фактических абсолютных и удельных расходов тепловой, электрической энергии и воды;
— оценка потенциала энергосбережения;
— разработка основных направлений и первоочередных мероприятий по энергосбережению с оценкой ожидаемого эффекта;
— формирование отчета по результатам энергетического обследования.
— формирование Энергетического паспорта объекта обследования.
Под результатом проведения энергетического обследования теперь понимают перечень мероприятий, направленных на снижение потребления энергетических ресурсов, количество необходимых инвестиций для внедрения более экономичного оборудования электро-, тепло-, водопотребления, отражаются основные показатели оценки эффективности реализации мероприятий, алгоритмы их расчета, а также условия применения.
С новыми требованиями энергетических обследований фирма ООО «Научно-инженерный центр ЯМАЛ» столкнулась при обследовании «Школы на 528 учащихся» в п. Ныда Надымского района, ЯНАО, и «Школы на 220 учащихся» в п. г. т. Заполярный Надымского района, ЯНАО. Данные строения являются вновь построенными муниципальными объектами, введенными в эксплуатацию.
Диаграмма №1 Срок окупаемости энергосберегающих мероприятий на объекте «Школа на 528 учащихся» в п. Ныда, Надымского района, ЯНАО
Для получения полной картины энергопотребления объектов детально было изучено используемое оборудование, методы прокладки линий транспортировки энергетических ресурсов, качество монтажа инженерных систем. Было предположено, что снижение использования водных ресурсов возможно за счет установки сенсорных смесителей, снижение потребляемой электроэнергии — за счет замены обычных ламп накаливания на современные энергосберегающие лампы, а также снижение количества потребляемой тепловой энергии возможно за счет установки терморегуляторов на отопительные приборы.
По результатам обследования и анализа предложенных мероприятий строим диаграмму окупаемости предложенных мероприятий.
Зачастую для оценки инвестиционной привлекательности мероприятий по энергосбережению и повышению энергетической эффективности достаточно использовать такой критерий, как простой срок окупаемости.
Особенность показателя срока окупаемости заключается в том, что он игнорирует все поступления денежных средств после момента полного возмещения первоначальных расходов. При выборе из нескольких инвестиционных проектов, если исходить только из срока окупаемости, не будет учитываться объем прибыли, созданный проектами.
Простой срок окупаемости определяется по формуле:
DP=Inv/E_t, где E_t — экономия в период времени (на этапе t), Inv — инвестиции в проект.
Срок окупаемости инвестиционных проектов рассчитывается как оценка ожидаемого эффекта, с учетом идеальных условий для выполнения мероприятий энергосбережения. В реальных условиях фактический срок может отличаться от планового, так как возможно влияние неучитываемых факторов с изменением условий поставки энергетических ресурсов снабжающей организацией.
Логичным завершением проведения энергетического обследования является заключение энергосервисного контракта. Особенность такого контракта заключается в том, что энергосервисная организация получает прибыль от эффективности внедрения энергосберегающих мероприятий. Теперь уже сам подрядчик заинтересован в качестве проведения обследования. Ведь тот эффект, который удастся достигнуть от снижения потребления энергетических ресурсов, конвертируется в денежном выражении как прибыль для энергосервисной компании.
Установка приборов учета и налаживание их работы ведут к четкому мониторингу расхода энергетических ресурсов. Россия до сих пор тратит в полтора-два раза больше, чем Европа.
Экономия энергоресурсов — это не отказ от комфорта, а наоборот — дальновидность общества, внедрение новых технологий и улучшение жизни для всего населения.
Л. А. Конкина, начальник Центра исследования воды МУП г. Череповца «Водоканал»
В. В. Малышев, профессор кафедры микробиологии Военно-медицинской академии имени С. М. Кирова
По данным Государственного доклада «О санитарно-эпидемиологической обстановке в Российской Федерации в 2013 году» [1], отмечается устойчивая тенденция к росту заболеваемости острыми кишечными инфекциями (ОКИ), со средним ежегодным темпом прироста 6—7%.
При этом было установлено, что проблема загрязнения поверхностных и подземных вод (являющихся источниками водоснабжения) бактериальными, вирусными и паразитарными патогенами носит повсеместный характер [1; 4]. Микробное, в том числе вирусное загрязнение питьевой воды, как централизованного, так и нецентрализованного водоснабжения, создает риск возникновения заболеваний населения кишечными инфекциями, прежде всего — сальмонеллезом, дизентерией, ротавирусной, норовирусной, астровирусной инфекциями, гепатитом А, энтеровирусными инфекциями и др. [2; 5; 7].
В последние годы зарегистрирован ряд водных вспышек острых кишечных вирусных инфекций (ОКВИ) и гепатита А (ГА) в ряде регионов (г. Нижний Новгород, Свердловская область, г. Нальчик и др.) [2].
За последние 5 лет качество воды источников централизованного питьевого водоснабжения в местах водозаборов в целом по стране, хотя и претерпело некоторые изменения в лучшую сторону, все же продолжает оставаться неудовлетворительным. Особенно тяжелое положение сложилось с поверхностными источниками водоснабжения. Полученные данные по качеству воды в рамках санитарного надзора являются базой для анализа изменения качества воды и оценки рисков контаминации последней кишечными вирусными патогенами. Здесь важным является соблюдение строго регламентированного порядка отбора проб и проведения исследования [1; 2; 5; 7].
В существующих нормативных документах в настоящее время вирусная контаминация воды оценивается по обнаружению колифагов. Это общая практика и Агентства по охране окружающей среды (ЕРА), и Международной организации по стандартизации (ISO), и Центра Европейского союза по стандартизации (CEN EU). Агентство по охране окружающей среды осуществляет мониторинг более 90 загрязнений в питьевой воде в США и обязано дополнять этот список каждые пять лет 30 нерегламентированными загрязнениями в соответствии с законом о безопасности питьевой воды (Safe Drinking Water Act). В соответствии с дополнительным списком в перечень обязательных показателей введен контроль двух вирусов (вирус гепатита А и норовирус).
Установлено, что возбудители вирусных кишечных инфекций обладают высокой устойчивостью в окружающей среде, что ведет практически к повсеместному распространению заболеваний, этиологически связанных с кишечными вирусами. Этапность и перечень проводимых последовательно лабораторных тестов выполняется в соответствии с МУК 4.2.2029-05 [9]. Проведение первого этапа — концентрирование вирусов на разных носителях, позволяет в последующем использовать элюаты воды для обнаружения маркеров кишечных вирусов методом иммуноферментного анализа (ИФА), а также с учетом наличия в элюатах и вирусов, при необходимости уточнения генотипа, субгенотипа используется полимеразная цепная реакция (ПЦР). В последние годы активно внедряется в лабораторную практику метод мультиплексной ПЦР в режиме реального времени [9].
Таким образом, основной целью санитарно-вирусологических исследований воды является оценка последней с точки зрения эпидемиологической безопасности для человека. Прямое обнаружение возбудителей актуальных кишечных вирусных инфекционных заболеваний в воде достоверно свидетельствует о наличии риска заболевания вирусными кишечными инфекциями населения. Эта позиция полностью соответствует приоритетным направлениям Научного совета по «Экологии человека и гигиене окружающей среды» Российской Федерации, где и ставится задача в разработке нормативно-методических документов в области санитарно-эпидемиологического благополучия населения по предупреждению влияния на здоровье человека загрязнения, в частности, воды водных объектов и питьевой воды, и гармонизацию санитарно-микробиологических показателей. Все выше сказанное будет способствовать снижению рисков заболеваний, передающихся через воду и явится важным звеном в обеспечении санитарно-эпидемиологического благополучия населения Российской Федерации, включая и соблюдение санитарно-эпидемиологических требований обеспечения безопасной среды обитания для здоровья человека [5].
Питьевая вода — это вода, отвечающая по своему качеству в естественном состоянии или после обработки (очистки, обеззараживания) установленным нормативным требованиям и предназначенная для питьевых и бытовых нужд человека [4; 5]. Основные требования к качеству питьевой воды: быть безопасной в эпидемическом и радиационном отношении, быть безвредной по химическому составу, обладать благоприятными органолептическими свойствами. Для удовлетворения этих требований в настоящее время используется целый комплекс мер по подготовке питьевой воды, включая ее обеззараживание, то есть уничтожения находящихся в ней микроорганизмов.
Известно, что в процессе первичной очистки воды (коагуляция, флокуляция) задерживаются до 99% бактерий, вирусов, паразитов. То есть можно утверждать, что только за счет правильно подобранных схем очистки и химических реагентов можно достичь высокой степени обеззараживания воды [3].
Хлорирование — наиболее изученный, эффективный и экономичный метод обеззараживания питьевой воды в сравнении с любыми другими известными методами. Соблюдение технологического регламента применения хлора обеспечивает микробиологическую безопасность воды в каждой точке распределительной сети в любой момент времени благодаря эффекту последействия. Все остальные методы обеззараживания воды, в том числе озонирование и ультрафиолет, не обеспечивают обеззараживающего последействия и, следовательно, требуют хлорирования на одной из стадий водоподготовки [7; 8].
Однако, как было установлено, одним из серьезных недостатков хлорирования поверхностной воды является образование побочных продуктов — галогенсодержащих соединений, значительную часть которых составляют тригалоидметаны: хлороформ, дихлорбромметан, дибромхлорметан и бромоформ, предельно допустимые концентрации которых установлены в различных странах в пределах от 0,001 до 0,2 мг/л. Образование токсичных соединений обусловлено взаимодействием хлора с растворенными в воде органическими веществами природного происхождения (гуминовые и фульвиновые кислоты, танины, белковые вещества, хлор- и фосфорсодержащие пестициды, нефтепродукты, продукты метаболизма фито- и зоопланктона, иные органические примеси). Количество образующихся в воде хлорорганических соединений пропорционально уровню загрязнения источников питьевого водоснабжения органическими веществами и дозам хлора, которые используются при хлорировании воды. Всего из воды было выделено и идентифицировано 235 хлорорганических соединений, многие из которых обладают канцерогенными, тератогенными и мутагенными свойствами, эмбриотоксическим, гонадотоксическим действием, понижают иммунитет, вызывают аллергические реакции, могут вызывать бесплодие, нарушение обмена веществ и деятельности эндокринной системы, инициировать развитие раковых заболеваний, наследственные изменения, вплоть до врожденных уродств [7; 8].
Перед специалистами давно стоит задача найти разумные альтернативы использованию хлора. Наиболее перспективными реагентами неокислительного действия для обеззараживания воды, отвечающими необходимым требованиям, могут служить полигуанидины, главным представителем которых является полигексаметиленгуанидин гидрохлорид (ПГМГ-ГХ). Механизм биоцидного действия полигуанидинов подобен четвертичным аммониевым соединениям (ЧАС) и носит мембранотоксический характер: гуанидиновые поликатионы адсорбируются на отрицательно заряженной поверхности бактериальной клетки; диффундируют через стенку клетки; связываются с кислотными фосфолипидами, белками цитоплазматической мембраны, что приводит к ее разрыву. В результате происходит блокада гликолитических ферментов дыхательной системы, потеря патогенных свойств и гибель микробной клетки.
В начале 2000-х годов отечественными специалистами был разработан бинарный препарат, в состав которого вошел ПГМГ-ГХ и алкилдемитилбензиламмоний хлорид, относящийся к группе четвертичных аммонийных соединений (ЧАС). Эти два продукта между собой в реакцию не вступают, но их симбиоз позволяет сократить время проникновения молекулы ПГМГ-ГХ внутрь клетки и ускорить ее гибель, то есть соединения этих двух продуктов создают синергетический эффект. Именно это обстоятельство позволило начать исследования на предмет использования данного реагента в очистке и обеззараживании воды [3; 6; 7]. По результатам научной работы, выполненной в НИИ «Экологии человека и гигиены окружающей среды им. А. Н. Сысина», было оформлено экспертное заключение о возможности использования данного препарата (под торговым названием «Дезавид-концентрат») в практике питьевого водоснабжения. Федеральной службой по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека (Роспотребнадзор) средство «Дезавид-концентрат» было зарегистрировано в качестве дезинфицирующего средства для обеззараживания питьевой воды в системах хозяйственно-питьевого водоснабжения.
Исходя из того, что проблема снабжения населения качественной питьевой водой является приоритетной в обеспечении санитарно-эпидемиологического благополучия населения, в Череповце с конца 2010 года началось вначале опытно-производственное, а затем и практическое применение дезинфицирующего средства «Дезавид-концентрат», который имел все разрешительные документы для использования в водоподготовке. Специально разработанная АО «Ленводоканалпроект» технология применения этого препарата, а именно, 2-стадийная технология очистки воды, согласно которой: на первой стадии реагент вводился через 1–2 мин после введения в воду коагулянта (как это имеет место при традиционном введении флокулянта в процессах очистки воды), а на второй — непосредственно перед поступлением очищенной воды в РЧВ, — надежно обеспечивает получение питьевой воды высокого качества. При этом наибольшая эффективность достигается за счет совместимости использования средства «Дезавид-концентрат» и обработки воды ультрафиолетовым излучением, что позволяет во все периоды года, за исключением периода интенсивного роста планктона в исходной воде, отказаться от применения хлорсодержащих реагентов, предотвращая тем самым возможность образования в процессе обеззараживания хлорорганических соединений, обладающих канцерогенными свойствами, и тем самым получить воду нового качества — не содержащую хлорорганических соединений.
Использование такого инновационного подхода в водоподготовке позволяет:
— за счет длительного пролонгирующего эффекта обеззараживания отказаться от предварительного введения в воду аммиака;
— в сочетании с коагулянтом образовывать хлопья с повышенной сорбционной емкостью в отношении тяжелых металлов и органических веществ происходит глубокое хлопьеобразование и снижение в процессе фильтрования остаточной концентрации алюминия в очищенной воде до уровня пороговых показателей;
— обеспечивать эффективное и долговременное бактерицидное, вирулицидное и фунгицидное действие.
Кроме того, к преимуществам применения технологий на основе реагента «Дезавид-концентрат» также относится и то, что он:
— не является окислителем (не вызывает привыкания вирусов и бактерий к препарату);
— безопасен для человека, животного, растительного мира и окружающей среды (согласно ГОСТ 12.1.007-76 относится к 4-му классу умеренно опасных веществ при введении в желудок, к 4-му классу малоопасных веществ при нанесении на кожу и к 5-му классу практически нетоксичных веществ при парентеральном введении);
— безвреден по отношению к любым контактирующим материалам;
— экономичен;
— безопасен при хранении, транспортировке и использовании;
— предотвращает биообрастание;
— срок годности рабочего раствора после приготовления при условии его хранения в соответствии с требованиями — 3 года (при этом сохраняет свои свойства при замораживании и размораживании). Применение технологии дезинфекции питьевой воды на основе препарата «Дезавид-концентрат» позволяет получить еще и высокие технико-экономические показатели, в первую очередь за счет простоты ее реализации на действующих водоочистных станциях, а именно:
— увеличить срок службы системы фильтрации;
— повысить эффективность очистки воды;
— снизить степень коррозии трубопроводов и оборудования;
— полностью или в значительной степени ликвидировать хлорное хозяйство на ВОС и тем самым уйти от всех проблем, связанных с его содержанием.
Применение новой технологии очистки воды в МУП города Череповца на основе использования инновационных реагентов позволило значительно снизить концентрацию алюминия, железа, перманганатную окисляемость, мутность и цветность в питьевой воде.
Внедрение данной технологии сопровождалось подготовкой и развертыванием современной комплектной лаборатории полимеразной цепной реакции в режиме реального времени. После аккредитации данная лаборатория может в течение 2,5 часа тестировать воду по 11 инфекционным агентам (бактериальным, вирусным, споровым).
Авторами настоящей статьи был проведен анализ многолетних данных (2010–2014 гг.) оценки качества питьевой воды и контаминации поверхностного водоисточника в городе Череповце. Анализируемые данные предоставил Центр исследования воды (ЦИВ) МУП «Водоканал» города Череповца. Проведенный мониторинг результатов лабораторного контроля качества питьевой воды г. Череповца за 2010–2014 гг. позволили с убедительностью подтвердить не только безопасность питьевой воды в эпидемиологическом отношении, но и по остальным составляющим качества воды получить высокие результаты.
Анализ результатов лабораторного мониторинга воды, проводимый ЦИВ МУП «Водоканал» в части микробиологических и вирусологических исследований питьевой воды, согласно графику контроля, выполнялся по следующим показателям: общее микробное число (ОМЧ), общие колиформные бактерии (ОКБ), термотолерантные колиформные бактерии (ТКБ), микроорганизмы рода шигелла и энероинвазивные Е.coli (кишечная палочка), сальмонеллы, термофильные кампилобактерии, споры сульфитредуцирующих клостридий, колифаги, антиген ротавирусов группы А, антиген вируса гепатита А, энтеровирусы, вирус гепатита А, ротавирусы, норовирусы, астровирусы, цисты лямблий.
Во всех пробах исследуемой воды отсутствовали санитарно-показательные, условно-патогенные и патогенные микроорганизмы, а также вирусы, цисты простейших. Питьевая вода являлась безопасной и по паразитологическим показателям (яйца гельминтов не обнаружены) [7].
На основании письма № 05-36/3436-13 от 08.08.2013 ТО Управления Роспотребнадзора по Вологодской области в г. Череповце с августа по сентябрь 2013 года был организован контроль за качеством воды источника водоснабжения, резервуаров чистой воды и разводящей сети на энтеровирусы, пробы отбирались ежедекадно. По результатам лабораторного центра ФБУЗ «Центра гигиены и эпидемиологии в Вологодской области» РНК энтеровирусов не обнаружено.
В октябре 2013 года ЦИВ МУП «Водоканал» была внедрена методика микробиологического исследования проб воды методом ПЦР (полимеразная цепная реакция) с детекцией в режиме «реального времени». В настоящее время ПЦР-диагностика является одним из самых точных и чувствительных методов диагностики. Благодаря своей высокой чувствительности и специфичности ПЦР позволяет выявлять наличие возбудителей бактериальных и вирусных инфекций, нуклеиновых кислот бактерий и вирусов даже при минимальном их содержании.
В основе метода ПЦР лежит многократное удвоение (амплификация) определенного участка ДНК при помощи ферментов в искусственных условиях (in vitro). В результате нарабатываются количества ДНК, достаточные для визуальной детекции. При этом происходит копирование только того участка, который удовлетворяет заданным условиям, и только в том случае, если он присутствует в исследуемом образце. Этим методом проводят определение не только патогенных микроорганизмов, но и возбудителей вирусных инфекций, таких как вирусы гепатитов А и Е, ротавирусы, норовирусы, астровирусы, энтеровирусы и др.
Статистика г. Череповец
Для выявления микроорганизмов рода шигелла, энтероинвазивных Е.coli (кишечная палочка), сальмонелл, термофильных кампилобактерий, а также вируса гепатита А, ротавируса, норовируса, астровируса, энтеровируса ЦИВ МУП «Водоканал» в соответствии с МУК 4.2.2029-05 использует систему «АмплиСенс-ОКИ скрин-FL» (метод ПЦР с гибридизационно-флуоресцентной детекцией) [9]. По результатам исследований, проведенных в ПЦР-лаборатории ЦИВ МУП «Водоканал», в пробах воды РНК вышеперечисленных микроорганизмов и вирусов не было обнаружено.
Применение современных дезинфицирующих средств («Дезавид-концентрат» или его аналога — «Дефлок») позволяет получать на водоочистных станциях МУП «Водоканал» качественную и безопасную по микробиологическим показателям питьевую воду, в полном соответствии с нормативами СанПиН 2.1.4.1074-01 и ГН 2.1.5.1315-03, ГН 2.1.5.2280-07. А использование новейших методов и оборудования контроля качества питьевой воды (метод иммуноферментного анализа, ПЦР в режиме реального времени) гарантируют получение своевременной информации об эпидемической безопасности воды и поддержания эпидемиологического благополучия населения на территории. По данным Роспотребнадзора, по Вологодской области в 2013 году были зафиксированы случаи заболевания энтеровирусной инфекцией в г. Вологда, Междуреченском, Вологодском, Грязовецком, Сямженском и Великоустюгском районах. В г. Череповце случаев заболевания за этот период не выявлено [7].
Анализируя медицинскую статистику за последние десять лет, можно сделать вывод, что в г. Череповце в течение последних 4 лет наблюдается тенденция по снижению заболеваемости острыми кишечными инфекциями и вирусным гепатитом А. По данным территориального отдела Роспотребнадзора, среднее значение суммы ОКИ (острые кишечные инфекции) за период 2011–2014 гг. на 9,1% меньше по сравнению с периодом 2007–2010 гг. Частота случаев заболеваний вирусным гепатитом А в г. Череповце снизилась на 28% по сравнению с периодом 2007–2010 гг.
Данные результаты подтверждают эффективность работы современной технологии подготовки питьевой воды с использованием дезинфицирующих средств нового поколения («Дезавид-концентрат», «Дефлок»). В значительной степени достигаемый эффект обеспечивается за счет того, что все этапы водоподготовки сопровождаются лабораторным контролем показателей качества питьевой воды с помощью современных методов детекции.
Выводы
Анализ результатов, полученных от внедрения МУП «Водоканал» города Череповца передовых высокоэффективных технологий на Комплексе водоочистных сооружений, свидетельствует, что жители Череповца получают воду, полностью соответствующую российским стандартам на питьевую воду, а по ряду показателей и превышающую их.
В этом плане следует также отметить, что инновационная деятельность сотрудников Водоканала в полной мере соответствует и требованиям «Руководства по обеспечению качества питьевой воды», Рекомендации ВОЗ, 2004, из которых следует: «…Если есть возможность повышения качества питьевой воды выше рекомендуемого уровня, то необходимо предпринимать постоянные усилия по сохранению качества воды на самом высоком возможном уровне. Важная концепция в отношении выделения ресурсов для повышения безопасности питьевой воды заключается в постоянных улучшениях на пути долгосрочных целей (например, защита от патогенов)». Оно декларирует …«переход к мышлению, которое рассматривает профилактику в качестве приоритета, может оказаться более эффективным, его себестоимость может оказаться более низкой, а гибкость более высокой, оно может противостоять новому вызову — угрозе безопасности качества воды, сравнимому с климатическими изменениями, ростом населения и урбанизацией».
Литература
1. Государственный доклад «О санитарно-эпидемиологической обстановке в Российской Федерации в 2013 году», М., Роспотребнадзор, 2014. — 438 с.
2. Малышев В. В. Шаги к гармонизации показателей. Новое в производственном лабораторном контроле качества воды в свете принятого закона «О водоснабжении и водоотведении». — Журн. «Вода Magazine». — № 4 (56), 2012. — С. 18–20
3. Федеральный закон Российской Федерации от 7 декабря 2011 года № 416-ФЗ «О водоснабжении и водоотведении».
4. Государственное санитарно-эпидемиологическое нормирование Российской Федерации. Государственные санитарно-эпидемиологические правила и нормативы. 2.1.4. Питьевая вода и водоснабжение населенных мест. Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества. Санитарно-эпидемиологические правила и нормативы. СанПиН 2.1.4.1074-01, Минздрав России, Москва. — 2002.
5. Решение Пленума Научного совета по экологии человека и гигиене окружающей среды Российской Федерации «Актуализированные проблемы здоровья человека и среды его обитания и пути их решения» (г. Москва, 14–15 декабря 2011 г.).
6. Рахманин Ю. А. Охрана здоровья населения промышленных регионов: стратегия развития, инновационные подходы и перспективы: Материалы Всероссийской научно-практической конференции с международным участием. — Екатеринбург, 2009.
7. Кузнецова И. А. / Пути обеспечения населения Вологодской области безопасной питьевой водой с использованием методологии оценки риска // Кузнецова И. А., Фигурина Т. И., Шадрина С. Ю. — Журн. «Гигиена и санитария». — № 1, 2011.
8. Малышев В. В. Проблемы водоснабжения северных территорий в контексте улучшения среды обитания и здоровья населения. Охрана здоровья населения промышленных регионов: стратегия развития, инновационные подходы и перспективы: Материалы Всероссийской научно-практической конференции с международным участием. — Екатеринбург, 2009. — С. 103–106.
9. Методические указания по санитарно-вирусологическому контролю водных объектов. 4.2. Методы контроля. Биологические и микробиологические факторы. МУК 4.2.2029 — 05, М, 2006.
Большинство паровых котельных, как на производстве, так и в системе ЖКХ, вырабатывают пар более высокого давления, чем это требуется, а затем снижают давление до более низкого значения.
Такая ситуация типична для паровых котлов типа ДКВР, ДЕ и КЕ российского производства, а также для ряда современных жаротрубных котлов российского и зарубежного производства. Почему такое происходит?
Причин здесь несколько.
Первая и основная причина — выработка пара низкого давления практически на всех котлах происходит при более низком КПД, обычно это на 3–4% ниже номинала. Например, работа котла производительностью 10 т/ч на давлении 3 ата вместо расчетных 10 ата ведет к перерасходу топлива в годовом исчислении в размере почти 220 тысяч м3 газа. Т. е. работа котла на более низком давлении ведет к явному перерасходу топлива!
Вторая причина — зачастую потребителям требуется пар разного давления, и соответственно сначала вырабатывается пар более высокого давления, а затем он редуцируется (происходит снижение давления до нужного значения в специальных редукционных клапанах).
При редуцировании пара его энергия практически сбрасывается и никак не используется. Необходимо отметить, что в СП 89.13330 (актуализированной версии СНиП II-35-76 Котельные установки. Нормы проектирования) появилась рекомендация устанавливать паровые турбины в котельных тепловой мощностью более 10 МВт. Однако пока надежных небольших турбин российского производства, работающих на низком давлении и небольших расходах, нет.
В Чехии компания G-Team сумела создать небольшие противодавленческие турбины, которые могут устанавливаться параллельно с редукционными клапанами и использовать энергию пара на выработку электричества или как привод для насосов.
В отличие от целого ряда имеющихся на рынке российских и импортных установок, турбины G-Team могут работать на входном давлении в несколько атмосфер, главное, чтобы был перепад давления.
Например, на том же паровом котле производительностью 10 т/ч при перепаде с 10 до 1,2 ата можно получить почти 60 кВт х ч или почти 500 тысяч кВт*ч электроэнергии в год, что при сегодняшнем уровне цен равно почти 2,0 млн руб.
Расчеты показывают, что затраты на установку противодавленческих турбин могут окупаться в течение трех-четырех лет.
Схема подключения паровой турбины и аксонометрический чертеж турбины TR320
В России компанией G-Team в настоящий момент выполнено несколько проектов. Один в Екатеринбурге — в 2014 году на паровой котельной установлена противодавленческая турбина с асинхронным двигателем мощностью 320 кВт, работающая в островном режиме; в г. Усть-Илимске установлена турбина мощностью 700 кВт для привода насоса в 2015 году. В Санкт-Петербурге запроектированы две турбины по 650 кВт для работы параллельно с сетью, проект находится в стадии согласования.
Чешская компания предлагает различные схемы реализации проекта, включая вариант с энергосервисным контрактом, по которому заказчику необходимо только оплатить проектные и монтажные работы по установке турбины российским компаниям. Плата за турбину будет производиться за счет средств, полученных от экономии электроэнергии.
Ниже приведена схема подключения паровой турбины и аксонометрический чертеж турбины TR320.
![Рис. 1. Конструкция рециркуляционного агрегата для производственных помещений [1]](http://isjournal.ru/wp-content/uploads/2017/05/123.jpg)
![Рис. 2. Конструкция смесительного модуля рециркуляционного агрегата для производственных помещений [1]](http://isjournal.ru/wp-content/uploads/2017/05/фиг-6.jpg)
![Рис. 3. Принципиальная схема кондиционера с гибридной DEC-системой [1]](http://isjournal.ru/wp-content/uploads/2017/05/Рис2.jpg)
