Учебное пособие 833
.pdfМинистерство образования и науки Российской Федерации
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
Воронежский государственный архитектурно-строительный университет
Кафедра городского строительства и хозяйства
Энергосберегающие технологии
Методические указания к практическим занятиям
для студентов специальности 270105 «Городское строительство и хозяйство» всех форм обучения
Воронеж 2010
УДК 699.8:697(07) ББК 65.441:31.15я7
Составители М.С. Кононова, А.В. Исанова
Энергосберегающие технологии : Метод. указания к практическим занятиям спец. 270105 «Городское строительство и хозяйство» всех форм обучения/; Воронеж. гос. арх.-строит. ун-т; сост.: М.С. Кононова, А.В. Исанова – Воронеж, 2010. – 26 с.
Методические указания содержат задачи, затрагивающие вопросы нескольких направлений энергосберегающих мероприятий, наиболее актуальных в настоящее время. Каждая задача имеет постановочную часть, перечень необходимых исходных данных, расчетные зависимости и рекомендации по последовательности выполнения расчетов.
Предназначены для студентов специальности 270105 «Городское строительство и хозяйство» всех форм обучения.
Ил. 1. Библиогр.: 4 назв.
УДК 699.8:697(07) ББК 65.441:31.15я7
Печатается по решению редакционно-издательского совета Воронежского государственного архитектурно-строительного университета
Рецензент - Б.П. Новосельцев, канд. техн. наук, доцент кафедры отопления и вентиляции Воронежского государственного архитектурностроительного университета.
ВВЕДЕНИЕ
Энергосбережение было и остается одним из важнейших направлений жизни современного общества. При этом особое внимание уделяется комплексному подходу к проблеме энергосбережения, включающему решение законодательных, административных, экономических и технических задач.
Одной из основных задач дисциплины «Энергосберегающие технологии» является знакомство студентов с практически применимыми и экономически целесообразными решениями и схемами городских систем тепло-, газо-, водоснабжения, а также изучение методов техникоэкономического обоснования плановых и проектных решений этих систем и путей повышений эффективности их работы.
Кроме того, немаловажное значение имеет получение студентами знаний о современных технологиях использования нетрадиционных источников энергии и возобновляемых ресурсов.
Будущие специалисты городского строительства и хозяйства нуждаются в получении систематизированной информации,
Методические указания содержат задачи, затрагивающие вопросы нескольких направлений энергосберегающих мероприятий, наиболее актуальных в настоящее время. Навыки, полученные студентами при решении учебных задач, могут пригодиться им в дальнейшей профессиональной деятельности.
Задача №1 Определение требуемой толщины
для наружной стены утеплителя здания
1.1.Задание. Для заданных климатических условий и конструкций стены определить соответствие сопротивления теплопередаче стены современным нормам [1] и рассчитать требуемую толщину утеплителя (при необходимости).
1.2.Исходные данные:
район строительства (город);
расчетная температура наружного воздуха, равная средней температуре наиболее холодной пятидневки, обеспеченностью 0,92,
text t50.92 , °С [2];
средняя температура наружного воздуха, за отопительный период, tht , °С [2];
продолжительность отопительного периода Zht , сут;
3
расчетная температура внутреннего воздуха для жилых зданий tint , °С [1];
толщина стены δ, м (для многослойной стены – толщина отдельных слоёв δi , м);
коэффициент теплопроводности материала из которого сделана стена λ (или отдельные её слои λi ), Вт м С , [3];
влажностный режим помещения [1, таб. 1]
зона влажности района строительства [1, прил. В];
условия эксплуатации ограждающих конструкций [1, таб. 1].
1.3.Расчётные зависимости
Суммарное сопротивление |
теплопередаче |
стены |
Rocon , м2 С Вт, |
|||||
определяется по формуле |
1 |
|
i |
|
1 |
|
|
|
Rocon |
|
|
, |
(1.1) |
||||
int |
i |
ext |
||||||
|
|
|
|
|
где int – коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности ограждающей
конструкции |
для условий |
холодного |
периода |
года, |
Вт (м2 С); [3]; |
||||
ext – коэффициент теплоотдачи наружной |
поверхности ограждающей |
||||||||
конструкции, |
Вт м2 С , [1, |
таб. |
7]; |
и |
i |
– |
толщина, м, |
и расчетный |
|
|
|
|
i |
|
|
|
|
Вт м С , |
|
коэффициент |
теплопроводности |
материала |
|
i-го |
слоя, |
принимаемый с учетом условий эксплуатации конструкций [3, прил. Д]. Приведенное сопротивление теплопередаче наружной неоднородной
стены Ror , м2 С Вт, определяем по формуле
Ror Rocon r, |
(1.2) |
где Rcopo – сопротивление теплопередаче i-го участка однородной ограждающей конструкции, м2 С Вт; r – коэффициент теплотехнической однородности [3, таб. 6].
В проектируемом здании защита обеспечена, если соблюдены требования показателей «а» и «б»:
«а» – теплотехническое требование, в соответствии с которым приведенное сопротивление теплопередаче отдельных элементов ограждающих конструкций должно быть не менее нормируемого значения.
«б» – санитарно-гигиенического требование, в соответствии с которым расчетный температурный перепад между температурой внутреннего воздуха и температурой поверхности ограждающей конструкции не должен превышать нормируемого значения.
4
Соблюдение требования показателя «а» (теплотехническое)
заключается в выполнении неравенства
Ror Rreq I , |
(1.3) |
где Rreq I – требуемое сопротивление теплопередаче, |
(м2 С) Вт, |
нормируемое в соответствии с [1, табл. 4] в зависимости от градусо-суток отопительного периода Dd , °С·сут, рассчитываемых по формуле
Dd tint tht Zht, |
(1.4) |
где zht , tint , tht – см. исходные данные.
Соблюдения требования показателя «б» (санитарно-гигиеническое)
обеспечивается, если сопротивление теплопередаче ограждения имеется значение не менее Rreq II, м2 С Вт, рассчитываемого по формуле:
RreqII |
|
n tint text |
, |
(1.5) |
|
||||
|
|
tn int |
|
где tn – нормируемый температурный перепад между температурой внутреннего воздуха и температурой внутренней поверхности ограждающей конструкции, С [1, табл. 5]; n – коэффициент, учитывающий зависимость положения наружной поверхности ограждающих конструкций по отношению к наружному воздуху [1, табл. 6]; int , ext – см. формуле (1.1); tint , text – см. исходные данные.
Необходимая толщина дополнительного слоя утеплителя δут, м,
рассчитывается по формуле |
|
|
|
|
ут Rreq Ror ут r, |
|
(1.6) |
где Ror – приведенное сопротивление теплопередаче наружной |
неоднородной |
||
стены, |
(м2 С) Вт; λут – коэффициент теплопроводности утеплителя, |
Вт м С ; |
|
Rreq – |
большее из значений RreqI и Rreq II, (м2 С) Вт. |
|
|
1.4.Порядок работы
Используя нормативно-справочную литературу [1–3], выписать необходимые значения исходных данных для заданного района строительства и конструкций стены.
Используя формулы (1.1) И (1.2) определить приведённое сопротивление теплопередаче стены Ror , м2 С Вт. Рассчитать количество градусо-суток отопительного периода Dd , °С·сут, по формуле (1.4).
Найти требуемое сопротивление теплопередаче стены для рассчитанного количества градусо-суток отопительного периода Rreq I [1, табл. 4].
По формуле (1.5) рассчитать требуемое сопротивление теплопередаче Rreq II.
Сравнить приведённое сопротивление теплопередаче Rro с большим из значений
5
Rreq I и Rreq II. Если величина Rro меньше требуемых значений Rreq I и Rreq II, то вычислить необходимую толщину утеплителя ут по формуле (1.6).
Задача №2 Составление энергетического паспорта здания
2.1.Задание. Для заданных климатических условий и имеющихся чертежей здания составить энергетический паспорт здания в соответствии с требованиями [1,3]
2.2.Исходные данные:
план здания, разрез;
район строительства;
климатические данные (см. задачу 1);
сопротивление теплопередаче всех наружных ограждений здания (или их конструктивное исполнение).
2.3.Расчётные зависимости
(2.2)
где Аверт,АF, Аed – площадь вертикальных ограждений, окон и балконных
дверей, входных дверей соответственно, м2 (вычисляется по чертежам здания с учётом их количества и геометрических размеров).
Площадь покрытий верхнего этажаАc |
и перекрытий подвала Af , м2, |
||||
принимается равной площади этажа Аэт . |
|
|
|
|
|
Площадь отапливаемых помещений, Аh , |
и площадь жилых помещений и |
||||
кухонь Аl, м2, определяется по плану здания. |
|
|
|||
Отапливаемый объём V , м3 ,определяется по формуле |
|||||
h |
|
|
|
|
|
V A' |
Н |
зд |
, |
(2.3) |
|
h |
эт |
|
|
|
где Нзд – высота здания, м; Аэт – площадь этажа, ограничивается внутренними поверхностями наружных стен, м2.
6
Коэффициент остекления f рассчитывается по формуле |
|
||
f AF /Аверт, |
(2.4) |
||
где АF , Аверт – см. формулу (2.2). |
|
|
|
Показатель компактности kedes , 1 м, вычисляется по формуле |
|
||
kdes Аsum |
V , |
(2.5) |
|
e |
e |
h |
|
где Аsume – общая площадь наружных ограждающих конструкций здания, м2
(Аsume Аw АF Аed Аf Аc ); Vh – см. формулу (2.3).
2.3.2. Вычисление теплотехнических показателей
Приведенное сопротивление теплопередаче стен, покрытий верхнего этажа, перекрытия подвала, окон и балконного заполнения определяется, используя формулы (1.1), (1.2).
Приведённый трансмиссионный коэффициент теплопередачи здания
Вт(м2 С), рассчитывается по формуле
Кmtr |
|
А |
w |
|
А |
F |
|
А |
ed |
|
А |
f |
|
А |
c |
|
/Аesum , |
|
|
|
|
|
|
0,9 |
|
0,6 |
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
Rw |
RF |
Red |
Rf |
Rc |
|
Кmtr ,
(2.6)
где Аw , АF, |
Аed , Аf , Аc – геометрические параметры, см. п. 2.3.1; Rw , RF , |
Red , Rc , Rf |
– сопротивление теплопередаче стен, окон и балконных дверей, |
входных дверей, покрытия верхнего этажа и перекрытия подвала соответственно. Сопротивление теплопередаче входных дверей равно Red =0,6 Rw . Воздухопроницаемость наружных ограждений определяется по результатам
натурных |
испытаний либо |
принимается |
нормируемой в соответствии с |
|
[1, табл. 11]. |
|
|
|
|
Средняя кратность воздухообмена здания за отопительный период nа , 1 ч, |
||||
определяется по формуле |
|
|
(2.7) |
|
где v |
|
nа 3 Аl |
/ v Vh |
|
– коэффициент, |
учитывающий |
долю внутренних |
ограждающих |
конструкций в общем объёме здания, v =0,85 [3].
Условный коэффициент теплопередачи здания, учитывающий теплопотери за
счёт инфильтрации и вентиляции Кinfm |
, Вт (м2 С), рассчитывается по формуле |
||||||||
Кinf 0,28 с |
в |
n |
a |
|
v |
V ht /Аsum |
(2.8) |
||
m |
|
|
|
h a |
e |
|
|||
где св – удельная теплоёмкость воздуха; |
aht |
– средняя плотность приточного |
воздуха; na , v , Vh , Аsume – см. выше.
Общий коэффициент теплопередачи здания Кm , Вт м2 С , определяется по формуле
Кm Кmtr Кinfm , |
(2.9) |
где Кmtr , Кinfm – см. формулы (2.6) и (2.8) соответственно.
7
2.3.3. Вычисление теплоэнергетических показателей
Общие теплопотери через ограждающую оболочку здания за отопительный
период Qh , МДж, определяются по формуле |
|
Qh 0,0864 Кm Dd Аsume , |
(2.10) |
где Кm – см. формулу (2.9); Dd – см. формулу (1.4); Аsume |
– см формулу (2.5). |
Бытовые теплопоступления за отопительный период Qint , МДж, составляют |
|
Qint 0,0864 qint zht Аl , |
(2.11) |
где qint – величина бытовых тепловыделений на 1 м2 площади жилых помещений
или |
расчётной площади общественного |
здания, Вт м2 |
(qint = 10 Вт м2 ) [3]; |
|||||
zht |
– см. формулу (1.4); Аl – площадь жилых помещений и кухонь, м2. |
|||||||
|
Потребность в тепловой энергии на отопление за отопительный период, Qhy , |
|||||||
МДж, составляет |
|
|
|
Qhy |
Qh n , |
|
(2.12) |
|
|
|
|
|
|
|
|||
где n – коэффициент, учитывающий дополнительное теплопотребление [3]. |
||||||||
|
Удельный расход теплоты на отопление qdesh |
, кДж (м2 С сут), |
||||||
рассчитывается по формуле |
|
103 Qhy / Аh Dd , |
|
|||||
|
qdesh |
(2.13) |
||||||
где Аh – отапливаемый объём здания, м2; Qhy , Dd |
– см. формулы (2.12) и (1.4) |
|||||||
соответственно. |
|
|
|
|
|
Вт м3 |
С , определяется по |
|
|
Удельная тепловая характеристика здания qh , |
|||||||
формуле |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
q |
h |
К |
m |
Аsum /V |
|
(2.14) |
|
|
|
|
e |
h , |
|
где Кm – см. формулу (2.9); Аsume , Vh – см. п. 2.3.1.
Относительное снижение потребности в тепловой энергии на отопление за отопительный период Qhy , %:
Qhy |
QhyI QhyII |
100%, |
(2.15) |
|
QhyI |
||||
|
|
|
||
где QhyI, QhyII – потребность в тепловой энергии на |
отопление за |
отопительный период «до» и «после» утепления соответственно, МДж.
2.4. Порядок работы
Произвести расчёт показателей и внести их в таблицу энергетического паспорта. Заполнить таблицу энергетического паспорта здания (прил. 1) для здания «до» и «после» утепления наружных стен.
По формуле (2.15) рассчитать снижение расхода теплоты Qhy в связи с произведённым утеплением стен.
8
Задача №3 Выбор экономически целесообразного варианта
энергосберегающего мероприятия
3.1.Задание. Выбрать один вариант из нескольких энергосберегающих мероприятий с различными капитальными затратами и ожидаемой экономией.
3.2.Исходные данные:
Для каждого из участвующих в выборе вариантов задаются следующие значения:
Рt – годовая экономия, р./год.;
Кt - капитальные затраты, р.;
3.3.Расчётные зависимости
Выбор экономически целесообразного варианта осуществляется путём сравнения каждого варианта с базисным. Экономическая эффективность варианта определяется на основе оценки чистого дисконтированного дохода, получаемого при реализации рассматриваемого варианта.
Чистый дисконтированный доход (ЧДД) – текущая стоимость будущих доходов (разности поступлений и затрат) за минусом затрат текущего периода.
Логика критерия чистого дисконтированного дохода такова:
1.Если ЧДД<0, то проект убыточен.
2.Если ЧДД=0, то это не прибыльный и не убыточный инвестиционный проект. В случае его принятия благосостояние организации не изменится, но в то же время объемы производства возрастут, компания увеличится в масштабах.
3.Если ЧДД>0, то это прибыльный инвестиционный проект.
При оценке альтернативных вариантов лучшим будет тот инвестиционный проект, чистый дисконтированный доход которого больше.
Положительные качества ЧДД:
чёткие критерии принятия решений
показатель учитывает стоимость денег во времени (используется коэффициент дисконтирования в формулах).
Отрицательные качества ЧДД:
показатель не учитывает риски.
ЧДД не учитывает вероятность исхода события.
Чистый дисконтированный доход ЧДД, р., считается по формуле:
T |
P |
K |
t |
|
|
|
ЧДД = |
t |
|
|
, |
(3.1) |
|
1 Е |
t |
|
||||
t 0 |
|
|
|
|
где t – шаг расчёта, год; Т – расчётный период времени, равный 5 годам; Рt – годовая экономия, р./год.; Кt – капитальные затраты, р.;
9
Е – норма дисконта, равная норме дохода на капитал, Е=0,5;
1
1 Е t – коэффициент дисконтирования.
3.4. Порядок работы
Для каждого из вариантов, характеризующихся заданными значениями капитальных затрат Кt и годовой экономией Рt, рассчитать значения ЧДД по формуле (3.1).
На основе сравнения значений ЧДД сделать вывод об экономической целесообразности приведённых вариантов.
Задача №4 Расчёт срока окупаемости дополнительного утепления стен
4.1. Задание. Для заданной конструкции стены и климатических условий определить срок окупаемости дополнительного утепления стен за счёт снижения затрат на отопление.
4.2.Исходные денные:
тариф на тепловую энергию, Sтепл, р./ГДж;
стоимость монтажа 1 м2 утеплителя, Sмонт , р./м2 ;
сопротивление теплопередаче стены:
до утепления RwI , м2 С Вт;
после утепления RwII , м2 С Вт;
климатические данные (см. задачу 1);
толщина утеплителя ут , м;
стоимость утеплителя Sут, р./м3
5.1.Расчётные зависимости
Одной из составляющих теплового баланса здания, определяющих расход теплоты на отопление, являются потери теплоты через ограждающие конструкции Qw , Вт, рассчитываемые по формуле
|
Qw Fw Kw tint texp , |
|
|
|
|
(4.1) |
где F |
– расчётная площадь ограждающей конструкции, м2; |
t |
ext |
,t |
int |
– см. исх. |
w |
|
|
|
|
||
данные; Kw – коэффициент теплопередачи, Вт/(м2·°C). |
|
|
|
|
|
|
Коэффициент теплопередачиKw , Вт м2 С , определяется оп формуле |
||||||
|
Kw 1 Rw , |
|
|
|
|
(4.2) |
где Rw |
– сопротивление теплопередаче стены, м2 С Вт. |
|
|
|
|
|
|
10 |
|
|
|
|
|