ГИДРОТЕРМАЛЬНЫЕ КОЛЛЕКТОРЫ ЭНЕРГОАКТИВНЫХ ЗДАНИЙ
Η. П. Селиванов, В. Н. Спиров
9.1. Общие сведения
В гидротермальных коллекторах для тепло- и холодоснабжения зданий можно использовать воду источников с низкопотенциальной энергией, в том числе грунтовую и водопроводную, воду естественных и искусственных водоемов, некоторые виды сбросных вод и других источников, температура воды в которых не превышает 30°С.
Большинство низкопотенциальных гидротермальных источников энергии характеризуется значительной нестабильностью температурных параметров воды, колебания которых имеют сезонный, суточный и случайных характер, непосредственно зависящий от климатических условий данного района. Кривая колебаний температуры воды по характеру соответствует кривой колебаний температуры воздуха с отставанием по фазе, определяемым инерционностью теплоносителя и окружающего его грунта. Таким образом, температура воды в источниках во время наиболее сильных сезонных изменений колеблется в неблагоприятном для использования направлении (зимой и ранней весной, в период наибольшей потребности в теплоте, температура воды большинства источников минимальна; летом, когда возрастает спрос на холод, ее температура достигает максимума).
Наибольшей стабильностью (и в то же время наиболее высокими энергетическими параметрами) обладают сбросные воды, особенно сбросные воды атом ных электростанций. Наименее стабильны параметры вод открытых водоемов, температура которых изменяется в средних широтах от 20—25°С летом до 4—5°С в придонных слоях зимой. Грунтовая и водопроводная вода занимает промежуточное положение, она практически не подвержена суточным и случайным колебаниям температуры, а амплитуда сезонных колебаний температуры в значительной мере зависит от глубины заложения водоносного слоя или труб водопровода. При этом колебания температуры водопроводной воды больше, чем грунтовой воды сравнительно глубокого залегания, и достигают в средней полосе СССР 12—15°С (от 3—5°С зимой до 12—18°С летом).
В большинстве зданий воду с указанными выше параметрами можно использовать без дополнительного подогрева только как теплоноситель первого (внешнего) контура системы теплоснабжения. Исключение составляют сравнительно теплые (25—30°С) сбросные воды, которые могут быть использованы непосредственно в приборах низкотемпературного отопления. Кроме того, в качестве основного или единственного теплоносителя вода гидротермальных источников может быть использована для тепло- и холодоснабжения зданий, помещения которых требуют поддержания температуры в диапазоне от 5 до 15° С.
Здесь рассматриваются гидротермальные коллекторы, использующие воду с естественной температурой источника, без дополнительного подогрева или охлаждения ее с помощью внешних источников энергии. По условиям циркуляции воды в коллекторе различают три типа гидротермальных коллекторов: открытого типа, в которых поверхность воды на всем протяжении коллектора соприкасается с окружающим ее воздухом;
полуоткрытого типа, в которых поверхность воды соприкасается с окружающим ее воздухом на части пути, а на остальной части перемешается по каналам различного вида, целиком заполненным водой;
закрытого типа, в которых поверхность воды в течение всего времени перемещения в пределах коллектора находится в каналах, целиком заполненных водой, и соприкасается только со стенками каналов.
Коллекторы всех типов могут быть выполнены комбинированными по теплоносителю (например, наряду с использованием в качестве первичного теплоносителя воды в качестве вторичного может быть использован воздух). С целью повышения эффективности гидротермальные коллекторы могут быть совмещены с коллекторами других типов, чаще всего — с коллекторами солнечной энергии. Выбор типа коллектора определяется конкретным техническим решением, учитывающим местные условия, архитектурно-строительные требования к зданию, материальные ресурсы и наличие производственной базы. Определенное влияние на выбор типа коллектора оказывает характер используемого источника. Например, гидротермальные коллекторы, использующие водопроводную воду (особенно питьевую), должны быть преимущественно закрытого типа, так как только в этом случае возможен возврат использованной воды в сеть водопровода.
Гидротермальные коллекторы систем защиты зданий от перегрева
В средних и низких широтах причиной дискомфортных условий в жаркое время года является не только высокая температура воздуха, проникающего в помещение, но и перегрев ограждающих конструкций зданий в условиях интенсивного нагрева в поле солнечной радиации. Гидротермальные коллекторы, работающие на водопроводной воде, а также на воде открытых водоемов, защищают ограждающие конструкции от перегрева достаточно просто в конструктивном отношении и с минимальными затратами энергии при эксплуатации.
Гидротермальный коллектор открытого типа, предназначенный для защиты от перегрева кровельных конструкций гражданских и промышленных зданий (рис. 9.1), выполнен в виде водоорошаемого экрана с вентилируемой воздушной прослойкой. Экран изготовлен из установленных параллельно кровле отдельных пластин, профилированных в форме лотков с отогнутыми кромками. Пластины расположены длинной стороной вдоль конька кровли и по скату перекрывают одна другую отогнутыми кромками, между которыми оставлен зазор для обеспечения циркуляции воздуха. В коньке кровли установлена водораздаточная труба с перфорацией, подающая воду на верхнюю пластину экрана одновременно по всей ее длине. Вода пленочной струей стекает по пластине, скапливается у продольных зиг, переливается через них и по каскаду пластин экрана сплошной пленочной струей покрывает весь экран, образуя между кромками смежных пластин завесу из падающей воды. У карниза вода может быть собрана в лоток и направлена на рециркуляцию.
Режим работы коллектора может варьироваться в зависимости от температурных и радиационных условий путем большей или меньшей подачи воды. В определенные периоды вода может быть перекрыта, и тогда коллектор работает как обычный экран с вентилируемым продухом.
Рассмотренное решение имеет преимущество перед распространенными наливными и орошаемыми кровлями и кровлями с экранами, так как улучшает температурно-влажностный режим, исключает ультрафиолетовое и тепловлажностное старение рулонной кровли, происходящее в первых двух конструкциях, и повышает теплозащитный эффект, недостаточный в конструкции кровли с экранами вследствие высокого собственного излучения нагретого экрана.
Рис. 9.1. Коллектор открытого типа для защиты от перегрева кровельных ограждений
1 — пластина орошаемого экрана, 2 — вентилируемая воздушная прослойка; 3 — зазор; 4 — наклонное ребро для крепления пластин экрана; 5 — наклонное покрытие с рулонной кровлей; 6 — водораздаточная труба
Пластины экрана выполняют из тонких листовых (0,6—1 мм) непрозрачных и водостойких материалов с хорошо отражающей поверхностью, например из алюминия или слоистых композиций, включающих металл. В системах с рециркуляцией воды могут быть использованы пластины из алюминия или алюминированных с наружной стороны листов, так как такой экран в дневное время хорошо отражает солнечную радиацию, а в ночное способствует ускоренному охлаждению перетекающей по нему воды. Пластины закрепляют на уложенных вдоль ската сплошных или решетчатых ребрах, причем конструкции крепления должны предусматривать периодическое снятие пластин для осмотра и ремонта кровли (это может быть, например, широко распространенное в алюминиевых конструкциях крепление в распор на кляммерах).
Гидротермальный коллектор открытого типа, предназначенный для защиты от перегрева стен гражданских, промышленных и сельскохозяйственных зданий (рис. 9.3), совмещен с конструкцией стены. Конструкция состоит из обшивки стены с закрепленной на ней теплоизоляцией и отделенного от стены воздушной прослойкой непрозрачного экрана. В пределах воздушной прослойки, между стеновой обшивкой и экраном, расположена система продольных пластин с отогнутыми кромками, причем в продольном направлении пластины горизонтальны, а в поперечном наклонены через одну вправо и влево. Над верхней пластиной размещена водораздаточная труба с перфорацией, а в нижней части стены имеется водосборный лоток. В верхней и нижней частях экрана сделаны закрывающиеся проемы, сообщающие воздушную прослойку с наружным пространством. Экран и наклонные пластины закреплены на вертикальных ребрах, расчленяющих воздушную прослойку на отдельные отсеки.
Принцип движения воды в коллекторе аналогичен рассмотренному в предыдущем случае: подаваемая через перфорацию раздаточной трубы вода пленочной струей стекает по каскаду пластин и собирается в нижнем лотке, откуда подается на рециркуляцию. Однако наличие экрана позволяет добиться эффекта, недостижимого в предыдущем случае: регулируя количество подаваемой воды, можно получить внутри воздушной прослойки температуру ниже, чем температура наружного воздуха. Таким образом, рассматриваемое решение не только защищает ограждающую конструкцию от перегрева, но может служить также и для охлаждения здания.
Рис. 9.2. Коллектор открытого типа с каскадным переливом воды для защиты от перегрева стеновых ограждении
а — вертикальный разрез, б — горизонтальный разрез по воздуховодному каналу, 1 — обшивка стены; 2 — теплоизоляция; 3 — экран; 4 — продольная пластина; 5 — воздуховодный канал, 6 — полое ребро; 7 — проем в экране; 8 — водораздаточная труба
Проемы в экране, закрытые в самое жаркое время дня, вечером открывают для удаления излишней влаги в виде пара и тумана, скапливающейся в течение дня. Ночью циркуляция воздуха в прослойке способствует скорейшему охлаждению воды к следующему дневному циклу. Помимо основной задачи коллектор улучшает условия эксплуатации здания зимой, создавая дополнительную изолированную воздушную прослойку в конструкции стены, что особенно эффективно в местностях с сильными зимними ветрами.
Обшивка стены, экран и пластины могут быть выполнены из листового коррозионно-стойкого металла или других материалов. При этом следует иметь в виду, что обшивка стены и экран, хотя и не имеют непосредственного контакта с охлаждающей водой, все же работают в условиях весьма высокой влажности обусловленной интенсивным испарением воды с наклонных пластин. Обшивка стены помимо влагостойкости должна также обладать достаточной паронепроницаемостью для защиты от увлажнения расположенной за ней теплоизоляции.
Рис 9.4. Водяная завеса для защиты от перегрева открытых помещений
1 — водораздаточная труба, 2 — водяная завеса; 3 — водосборный лоток
Гидротермальный коллектор открытого типа, комбинированный по теплоносителю и предназначенный для защиты от перегрева стен гражданских, промышленных и сельскохозяйственных зданий (рис. 9.2), совмещен с конструкцией стены. Коллектор отличается от рассмотренного выше конструкцией наклонных пластин; выполненных с дополнительными воздуховодными каналами, и вертикальных ребер, полых в поперечном сечении, причем воздуховодные каналы сообщены с полостью ребер.
Рис. 9.3. Коллектор открытого типа с каскадным переливом воды для защиты от перегрева стеновых конструкций
1 — обшивка стены; 2 — теплоизоляция; 3 — экран, 4 — продольная пластина; 5 — водораздаточная труба; 6 — проемы в экране
Воздуховодные каналы и полости вертикальных ребер предназначены для охлаждения воздуха в системе приточной вентиляции здания и действуют следующим образом. Воздух из воздухозабора поступает сверху в полость вертикального ребра, распределяется между воздуховодными каналами в горизонтальных пластинах и, охлажденный в них перетекающей водой, попадает в полость соседнего ребра, затем в воздуховоды вентиляционной системы и далее — в помещение. В местностях с излишне сухим воздухом возможен вариант этой конструкции, в котором увлажненный воздух из воздушной прослойки подается непосредственно в помещение.
Рассмотренный гидротермальный коллектор является конструкцией, которая не только обеспечивает защиту стен от перегрева, но и способствует экономии энергии на отопление здания, так как при подключении каналов в пластинах к источнику воды зимой можно обеспечить в замкнутой воздушной прослойке более высокую температуру, чем в окружающем пространстве, в том числе и положительную. В результате уменьшаются теплопотери здания и соответственно сокращается расход энергии на его отопление. Работа коллектора в зимнем режиме требует интенсивной активной циркуляции воды и своевременного опорожнения системы в большие морозы во избежание ее размораживания.
Солнцезащита в виде водяной завесы (рис. 9.4) предназначена для применения в открытых с одной или нескольких сторон помещениях сезонного использования. Завеса создается водой, которая под давлением подается через систему отверстий в раздаточной трубе, расположенной в верхней части ограждения или, реже, через ряд сеток-разбрызгивателей с взаимным перекрытием водяных струй. Завеса может иметь вид практически сплошной пелены воды или отдельных струй, расположенных в один или более рядов по глубине (толщине) завесы. Внизу вода собирается в лоток и отводится в канализацию или подается на рециркуляцию. Способ солнцезашиты водяной завесой достаточно эффективен, но требует большого расхода воды. Кроме того, водяная завеса может быть сбита сильным и даже умеренным ветром, причем брызги и водяная пыль разносятся на значительное расстояние. Водяная завеса находит ограниченное применение в южных районах для солнцезащиты летних кафе, торговых точек и т. д. Этот же прием может быть использован и в производственных зданиях как защита от периодических залповых лучистых теплопоступлений (например, при выпуске расплавленного металла и др.). В этих случаях водосборный лоток должен быть скрыт ниже уровня чистого пола и защищен решеткой. Такое решение позволяет создавать на короткое время и на определенном участке защитную завесу, оставляя этот участок свободным в остальное время.
Гидротермальный коллектор открытого типа (рис. 9.5), предназначенный для защиты помещений от перегрева, совмещен с конструкцией светопрозрачной неутепленной стены. Коллектор состоит из положенных горизонтально лотков специальной формы с опущенным с одной стороны вертикальным фартуком. Лотки с правым и левым наклоном устанавливают через один так, чтобы фартук верхнего лотка был опущен в нижний лоток. Торцами лотки прикреплены к вертикальным ребрам. Верхний лоток сообщен с системой подачи воды, нижний — с системой водоотвода.
В верхний лоток подается вода, наполняет его и переливается через край, стекая по фартуку пленочной струей в нижний лоток. В зависимости от режима работы воду подают непрерывно или периодически. В первом случае водой покрыта вся поверхность стены, во втором — вода находится только в лотках, а часть фартука, расположенная выше уровня воды, оказывается сухой (в зависимости от профиля лотков конкретной конструкции солнечные лучи, проникшие сквозь сухую зону фартука, могут быть перехвачены заполненными водой лотками).
При достаточном объеме лотков конструкция может работать в режиме емкостного гидротермального коллектора (в этом случае коллектор подпитывают водой периодически). Емкостный коллектор может одновременно служить аккумулятором теплоты, накапливаемой водой в дневное время и отдаваемой в помещение вечером и ночью. В районах с резко континентальным климатом такое суточное выравнивание температуры в помещении является положительным фактором.
Лотки выполняют из прозрачных и полупрозрачных пластмасс, в том числе армированных стекловолокном. Силикатное стекло применяют в исключительных случаях. Вертикальные ребра изготовляют из пластмасс или из металла (преимущественно — из алюминия). В зависимости от применяемых материалов торцы лотков приваривают или приклеивают к ребрам. Возможно механическое соединение ребер с лотками, обязательно с последующей герметизацией стыков.
Гидротермальные коллекторы в системе обогрева помещений
Энергия низкопотенциальных гидротермальных источников (без дополнительного подогрева воды) в системах теплоснабжения зданий может быть использована:
в качестве теплоносителя первого (внешнего) контура системы теплоснабжения при наличии второго (внутреннего) контура с теплоносителем более высоких энергетических параметров;
в качестве основного (или единственного) теплоносителя в системах теплоснабжения зданий, требующих сравнительно низких эксплуатационных температур при допустимости значительных колебаний;
в качестве основного (или единственного) теплоносителя в системах низкотемпературного отопления зданий.
Удовлетворительные результаты с применением гидротермальных коллекторов во внешнем контуре систем теплоснабжения могут быть получены при использовании воды всех перечисленных ранее источников, в зданиях любого назначения, в том числе с самыми строгими требованиями к температурному режиму. Наиболее эффективно такое решение в зданиях со сравнительно большими поверхностями глухих стен при умеренной площади проемов. Идея технического решения заключается в создании в холодное время года из наружной поверхности ограждающих конструкций здания своеобразного барьера с температурой, более высокой, чем температура наружного воздуха (и в любом случае — положительной). В результате градиент температур между внутренней и наружной поверхностями уменьшается в 1,5—2 раза, пропорционально этому уменьшению сокращаются теплопотери здания, а следовательно, и затраты энергии на отопление.
В зданиях, помещения которых требуют в процессе эксплуатации сравнительно низких положительных температур при допустимости колебаний этих температур в пределах нескольких градусов, может оказаться эффективным использование гидротермальных коллекторов в качестве основного или единственного средства отопления. Однако вопрос о целесообразности применения таких систем должен в каждом конкретном случае решаться только после тщательного технико-экономического анализа. Одной из возможных областей применения гидротермальных коллекторов этого рода могут оказаться, например, хранилища некоторых видов сельскохозяйственной продукции. Правда, вода открытых водоемов, водопроводная вода и грунтовая вода из верхних горизонтов, создавая температуру в хранилищах сельскохозяйственной продукции в зимнее время, равную 4—6° С, летом может нагреваться до температуры, непригодной для термостатирования. В этих случаях охлаждение хранилищ достигается иными средствами. Температура грунтовой воды более глубокого заложения обладает достаточной стабильностью и может в ряде случаев оказаться приемлемой для обеспечения круглогодичного термостатирования хранилищ.
В качестве основного (или единственного) теплоносителя в зданиях с системами низкотемпературного отопления могут быть использованы теплые сбросные воды и воды некоторых естественных источников с температурой 25—30°С. Наиболее пригодны для этих целей сбросы атомных и других электростанций, так как они не требуют подготовки и могут быть непосредственно направлены в отопительные приборы соответствующих помещений. Некоторые технологические сточные воды при приемлемой температуре загрязняются различного рода примесями, которые могут послужить причиной коррозии коллекторов и трубных разводок. Теплые воды естественных источников, помимо наличия в них агрессивных агентов, как правило, сильно минерализованы, в результате чего весьма вероятно выпадение растворенных в виде компонентов в осадок непосредственно в каналах теплообменников коллекторов и в трубных разводках. Поэтому применение таких вод в системах теплоснабжения ограничено
Ниже приведено несколько возможных технических решений применения гидротермальных коллекторов для теплоснабжения зданий (все эти системы могут работать и как системы охлаждения в летний период, что увеличивает их эффективность).
Рис. 9.5 Коллектор открытого типа, совмещенный с конструкцией светопрозрачной стены 1 — лоток; 2 — фартук лотка, 3 — вертикальное ребро, 4 — патрубок для подачи воды
Рис. 9.6. Коллектор открытого типа для отопления и охлаждения зданий, совмещенный с коллектором солнечной энергии
1 — лоток; 2 — фартук лотка, 3 — обшивка стены, 4 — теплоизоляция. 5 — селективно прозрачное остекление, 6 — солнечная радиация, 7 — селективно поглощающее покрытие, 8 — патрубок для подачи воды
Гидротермальный коллектор открытого типа (рис. 9.6), совмещенный с коллектором солнечной энергии, предназначен для отопления и охлаждения гражданских и промышленных зданий. Коллектор состоит из расположенных горизонтально лотков. Система таких лотков, укрепленных на вертикальных ребрах, установлена с наружной стороны утепленной стены. От внешнего пространства систему лотков отделяет селективно прозрачное остекление. Наружные стенки лотков, обращенные в сторону улицы, зачернены селективно поглощающим составом, а сами лотки заполнены водой. В режиме теплоснабжения конструкция работает как емкостный коллектор солнечной энергии: солнечная радиация проникает сквозь селективное прозрачное остекление, поглощается поверхностью лотков и нагревает находящуюся в них воду. По достижении требуемой температуры вода через полые вертикальные ребра отводится в аккумулятор теплоты и подается непосредственно на приборы отопления Возможно и более узкое использование этой конструкции — только для увеличения тепловой инерции стены. В этом случае находящаяся в лотках теплая вода в вечернее и ночное время уменьшает теплопотери ограждения. В конструкции этого коллектора поверхность утепленной стены, обращенная к лоткам, должна иметь водонепроницаемую облицовку. Лотки выполняют из непрозрачного материала (алюминия, пластмассы). Подачу воды производят через верхний лоток, сбор воды в аккумулятор теплоты через полые вертикальные ребра или на рециркуляцию
Рис 9.7. Коллектор закрытого типа для первого контура системы отопления зданий а — схематический разрез здания, б, в — варианты поперечного сечения стенового ограждения (фрагменты), 1 — внутренняя обшивка, 2 — теплоизоляция; 3 — наружная обшивка теплообменник, 4 — канал для циркуляции воды; 5 — водозабор; 6 — водораздаточная труба, 7 — отводящая труба; 8 — водоносный слой грунта; 9 — защитный экран
Рис. 9.8. Коллектор закрытого типа для отопления и охлаждения зданий
1 — наружная обшивка; 2 — теплоизоляция, 3— внутренняя обшивка теплообменник, 4— канал для циркуляции воды; 5 — питающий трубопровод; 6 — водораздаточная труба; 7 — отводящая труба
(при работе коллектора в режиме защиты от перегрева), через нижний водосборный лоток. Недостатком этого коллектора, как и других коллекторов с открытой циркуляцией жидкостного теплоносителя, является неизбежность выпадения на внутренней стороне остекления конденсата, снижающего эффективность работы коллектора.
Гидротермальный коллектор закрытого типа, предназначенный для теплоснабжения гражданских, промышленных и сельскохозяйственных зданий (рис. 9.7) в качестве первого (наружного) контура системы отопления, совмещен с конструкциями кровельного и стенового ограждений. Ограждающие конструкции состоят из внутренней обшивки, теплоизоляции и наружной обшивки в виде теплообменника. Теплообменник представляет собой ряд примыкающих друг к другу заполненных водой каналов протяженностью от конька крыши до фундамента каждый. В коньке каналы объединены водораздаточной трубой, через которую из водозабора поступает в каналы грунтовая, водопроводная, озерная и другая вода. У фундаментов вода из каналов попадает в отводящие трубы и возвращается в источник. При этом, если источник проточный, водозабор располагают выше по течению, чем выпуск отработанной воды. Перемещаясь по каналам вниз, вода в холодное время года отдает теплоту стенкам каналов, образующих в совокупности наружную обшивку ограждающей конструкции. Замерзание воды в каналах предотвращается за счет ее непрерывной циркуляции — естественной в умеренно прохладную погоду (при плюсовой температуре воздуха) и с механическим побуждением для ускорения движения воды при отрицательной температуре наружного воздуха.
В некоторых случаях со стороны улицы каналы защищают дополнительным экраном с вертикальными ребрами, образующими между экраном и циркуляционными каналами ряд изолированных вертикальных полостей. Теплообменник изготовляют из металла (например, из алюминиевых прокатно-сварных панелей) или из озоно- и морозостойких пластмасс.
Применение таких коллекторов, создающих на поверхности ограждающих конструкций своеобразную водяную рубашку, позволяет значительно сократить расход энергии на отопление за счет уменьшения градиента температуры между наружной и внутренней поверхностями ограждений. Поскольку температура воды в каналах не падает ниже 4-5° С, перепад температуры при наружной —20 и внутренней +20°С температурах уменьшается до 16°С по сравнению с 40°С в обычных ограждениях. Если вода из системы по каким-либо причинам спущена, каналы, представляющие собой ряд изолированных воздушных пазух, повышают общее термическое сопротивление стены.
Гидротермальный коллектор закрытого типа, предназначенный для отопления и охлаждения гражданских и промышленных зданий, хранилищ сельскохозяйственной продукции, складов и др. (рис. 9.8), совмещен с конструкциями кровельных и стеновых ограждений. Ограждающие конструкции «обращены внутрь», т е теплообменник в них расположен с внутренней стороны ограждений. Характер циркуляции воды и требования к расположению водозабора и выпуска также не отличаются от описанных ранее. Однако в этой конструкции гидротермальный коллектор является единственным средством термостатирования здания, а вода низкопотенциального источника — единственным теплоносителем. Поэтому класс зданий, обслуживаемых подобными коллекторами, всецело зависит от энергетических параметров используемой воды. Например, при наличии достаточно теплой сбросной воды электростанции такая система может быть применена практически в любых зданиях вплоть до жилых. При этом создание теплой поверхности наружных ограждающих конструкций повышает уровень комфорта, устраняет нежелательный эффект «отрицательной радиации» и позволяет несколько снизить требуемую при обычных системах отопления температуру в помещениях.
При использовании грунтовой воды коллектор удовлетворяет требованиям ограниченного числа типов зданий, в основном — хранилищам материалов и продукции (в том числе сельскохозяйственной), требующим пониженной температуры — от 4—5 до 12—15°С — и малочувствительным к колебаниям температуры в этих пределах. В коллекторах этого типа теплообменники изготовляют из материалов высокой теплопроводности, преимущественно из металла, так как в отличие от коллектора, расположенного с наружной стороны ограждения, повышение теплоотдачи увеличивает эффективность работы системы.
