Статья поступила в редакцию 19.05.15. Ред. рег. № 2259
The article has entered in publishing office 19.05.15. Ed. reg. No. 2259
УДК 620.9:697.1
doi: 10.15518/isjaee.2015.08-09.008
К ПРОБЛЕМЕ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОМ ОПТИМИЗАЦИИ ТЕПЛОВОЙ ЗАЩИТЫ ЗДАНИЙ
С.Е. Щеклеин, А. Г. Шастин
Уральский федеральный университет им. первого Президента России Б.Н. Ельцина Россия, 620002 Екатеринбург, ул. Мира, д. 19 Тел: (343) 375-9 5-08, e-mail: s.e.shcheklein@urfu.ru
Заключение совета рецензентов: 23.05.15 Заключение совета экспертов: 27.05.15 Принято к публикации: 31.05.15
В настоящей работе рассмотрены вопросы оптимизации тепловой защиты зданий для суровых климатических условий. Показана целесообразность учета качества (эксергетического потенциала) энергии, расходуемой на производство теплозащитных материалов, и энергии, потребляемой для целей отопления.
Ключевые слова: тепловая защита, энергия, эффективность, эксергия, диатомит.
ON THE PROBLEM OF THERMODYNAMIC OPTIMIZATION OF THERMAL PROTECTION OF BUILDINGS
S.E. Shcheklein, A.G. Shastin
Urals Federal University named after the first President of Russia Boris Yeltsin 19 Mira str., Ekaterinburg, 620002, Russia Tel.: (343) 375-95-08, e-mail: s.e.shcheklein@urfu.ru
Referred: 23.05.15 Expertise: 27.05.15 Accepted: 31.05.15
This paper discusses the optimization of thermal protection of buildings to the harsh climatic conditions. The reasonableness of accounting quality (exergetic potential) energy consumed in the production of heat-shielding materials and energy consumed for heating purposes.
Keywords: thermal protection, energy efficiency, exergy, diatomite.
Сергей Евгеньевич
Щеклеин Sergey E. Shcheklein
Сведения об авторе: д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой «Атомные станции и возобновляемые источники энергии» УрФУ.
Научный руководитель ряда реализованных инновационных проектов, в т. ч. «Энергоэффективный дом для села», «Системы солнечного энергоснабжения автономных потребителей специального назначения», «Солнечные системы охранной сигнализации» и др.
Член редколлегии журнала «Известия вузов. Ядерная энергетика», сборника трудов УГТУ-УПИ «Теплофизика ядерных энергетических установок», научно-технического журнала «Энергоэффективность и анализ». Заслуженный энергетик России, действительный член Международной энергетической академии.
Образование: Уральский политехнический институт (УГТУ-УПИ) (1972).
Область научных интересов: термодинамика ядерных энергетических установок, проблемы атомной энергетики и теплофизики двухфазных потоков, продление ресурса и повышение надежности оборудования АЭС, солнечная энергетика, ветровая энергетика, биоэнергетика, энергосбережение, энергоэффективность.
Публикации: более 450, в том числе 6 монографий и учебников, 28 изобретений.
Information about the author: doctor of technical science, professor, Urals State Technical University "Atomic Stations and Renewable Energy Sources" Department head.
A scientific director of several realized innovation projects, including "The energoefficient house for the village", "Special systems of individual consumer solar energy supply", "The solar systems for the guarding alarm" etc.
A member of the editorial board of "Institute of Higher Education News. Nuclear Power" magazine, "Nuclear power units heat engineering" USTU article collection, "Energoeffectiveness and analysis" scientific magazine. A Honoured power engineering specialist of Russian Federation, a member of International Energy Academy.
Education: Urals Polytechnic Institute (1972).
Research area: nuclear power units thermodynamics; questions of nuclear energy and thermophysics of the two-phase flows; NPP equipment lifetime enduring and reliability increasing; solar, wind and bioenergetics, energy conservation, energy efficiency.
Publications: more than 450 scientific works, including 6 monographs and textbooks, 28 inventions.
Арнольд Георгиевич Шастин Arnold G. Shastin
Сведения об авторе: канд. техн. наук, профессор кафедры «Атомные станции и возобновляемые источники энергии» УрФУ. Заслуженный энергетик РФ. Награжден орденами и медалями СССР.
Образование: Уральский политехнический институт (УГТУ-УПИ) (1961), Уральский гос. университет (1967).
Область научных интересов: атомная энергетика, нетрадиционные и возобновляемые источники энергии, техническое применение мощного ультразвука.
Публикации: более 100 научных трудов, 20 изобретений.
Information about the author: a candidate of technical science, professor, Urals State Technical University "Atomic Stations and Renewable Energy Sources" Department.
The distinguished engineer of Russian Federation. He was awarded orders and medals of the USSR.
Education: Urals Polytechnic Institute (1961), Ural State University (1967).
Research area: аtomic energetics; non-traditional and renewable energy sources, technical application of powerful ultrasound.
Publications: more than 100 scientific works, 20 inventions.
Введение
Стремление построить энергоэффективное здание стимулируется желанием создания благоприятных для человека условий жизнедеятельности на фоне дефицитности и повышения стоимости энергетических ресурсов (страны ЕС) либо их значительных расходов в суровых климатических условиях (РФ), что также ведет к росту затрат на эксплуатацию зданий. Важным мотивом снижения энергозатрат является стремление обеспечить значительную долю энергопотребления здания за счет возобновляемых источников энергии. Однако отсутствие системного подхода при разработке мероприятий по снижению теплопотерь стенами зданий в жилищном секторе развитых стран привело к существенному противоречию между поставленными целями и полученными результатами - снижение теплопотерь на единицу энергии влечет за собой увеличение энергозатрат на производство тепловой изоляции [1]. Идея использовать количество энергии в качестве меры стоимости объекта была предложена еще в 1983 году В.И. Вернадским и получила развитие в работах ряда отечественных и зарубежных исследователей [2-7]. Особое значение при решении данной задачи приобретает качество энергии, используемой для производства строительных и теплоизоляционных материалов, с одной стороны, и целей теплоснабжения - с другой.
На рис. 1 приведена технологическая схема, применяемая при производстве минераловатных теплоизоляционных материалов [8].
Рис. 1. Схема технологического модуля производства базальтоволоконной теплоизоляции: 1 - распылители связующего; 2 - дутьевая головка; 3 - генератор; 4 - блок нагрузочного контура; 5 - индукционная печь; 6 - дозатор; 7 - камера волокноосаждения; 8 - камера сушки; 9 - резак Fig. 1. Scheme of technological module of production basalt fiber heat insulation: 1 - binder nebulizers; 2 - blowhead; 3 - generator; 4 - the block load circuit; 5 - induction furnace; 6 - doser; 7 - fiber deposition chamber; 8 - the drying chamber; 9 - cutter
В табл. 1 приведены некоторые технические параметры, характеризующие энергоемкость процесса производства теплоизоляции.
Таблица 1
Расход материальных и энергетических ресурсов для производства 1 тонны теплоизоляции [8]
Table 1
Consumption of material and energy resources for the production of 1 ton of heat insulation [8]
Ресурс Количество
Базальтовое сырье, кг 1250
Электроэнергия, кВт-ч 3500
Сжатый воздух, нм3 12000
Техническая вода, м3 260
Электроды, кг 25
Таблица 2
Расход энергетических ресурсов для производства ряда строительных материалов
Table 2
Consumption of energy resources for the production of a number of building materials
Материалы и конструкции Общие энергозатраты, МДж
Цемент, т 7250
Кирпич глиняный, 1000 шт. 8903
Стекло листовое, т (1000 м2) 90190
Керамзит гравийный, м3 3538
Минеральная вата товарная, м3 2320
Пенобетон, м3 3451
Плитка керамическая облицовочная, 1000 м2 368880
Трубы канализационные чугунные, т 28710
Трубы пластмассовые из поливинилхлорида, т 140331
Трубы стальные, т 55941
Гипсокартонные листы, 1000 м2 54549
Железобетонные сборные стеновые конструкции из легкого бетона, м3 9106
Бетонные сборные конструкции, м3 5858
Железобетонные монолитные конструкции, м3 7830
Другие материалы, применяемые в строительстве, также требуют для производства значительных затрат энергии, как правило, высокого потенциала. В табл. 2 приведены энергоемкости ряда стандартных материалов строительной индустрии по данным [9].
Постановка задачи
Оценить суммарные затраты на сооружение и эксплуатацию в течение длительного периода (50 лет) двухэтажного жилого здания общей площадью 200 кв. м при выполнении санитарно-гигиенических требований к жилым помещениям [10] с учетом потребности в тепловой энергии для целей отопления и вентиляции. В качестве модельных климатических условий использованы данные для зоны Среднего Урала [11]. Анализ выполнялся для нескольких видов строительных материалов и комбинированных вариантов конструкций стеновых материалов (кирпич, железобетон, пенобетон, полистиролбетон и кирпич + пенопласт, пенобетон + пенопласт) и производился по критериям отыскания минимальных значений суммарных затрат - финансовых, энергетических и эксергетических. Последний из данных критериев учитывает не только количество, но и качество используемой энергии. Эксергия - физическая величина, характеризующая способность системы совершать полезную работу, следовательно, отопление зданий, производимое средами с низкими энергетическими параметрами, значительно менее эксергоемко, чем процесс создания теплоизоляции и сторойматериалов, как правило, связанный с затратами электрической и высокопотенциальной тепловой энергии.
о
Методика исследований
(О
Затраты энергии
Затраты энергии на создание строительных материалов и всего здания оцениваются по данным работ [1, 3-7]:
£0
еи=¿б (1)
1=1 Ким
о
(0
где Кизг - поправочный коэффициент, учитывающий затраты энергии на изготовление деталей, сборку, транспортировку.
Затраты энергии на отопление и вентиляцию здания оцениваются по [12]:
бот = Qтр + & - бвы^ (2)
где бтр = А (/р - (ех1) (1 + 2Р) п/я, - трансмиссионные
по
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.