Расчет энергосберегающих мероприятий на объекте жкх

1. Введение в заданиеЗадача:В вашу проектную организацию обратился заказчик, который планирует построить коттедж с привлечением современных дизайнеров и архитекторов. Одним из условий, которое необходимо выполнить при строительстве:- это отсутствие радиаторов отопления в помещениях;- внедрение и расчет энергосберегающих мероприятий;- выбор наилучшего энергосберагающего варианта из предложенных.Решение кейса будет произведено следующим образом:1) Будет произведен расчет теплопотерь через ограждающие конструкции, с целью определения необходимой мощности генератора теплоты.2) Будет дана характеристика каждой системы, её плюсы и минусы. Произведен сравнительный расчет систем отопления с радиаторами и теплыми полами. 3) Будет произведен гидравлический расчет с определением диаметров трубопроводов теплого пола, с подбором необходимого насоса. Также будет спроектирована аксонометрическая схема.4) Будут рассмотрены различные энергосберегающие мероприятия с последующим расчетом.Исходные данные: Двухэтажный коттедж, площадью 100 м², расположенный в п. Красная Поляна, планировка представлена на рисунке 1: Рисунок 1 – Планировка коттеджаСостав стен: слой 1 – Облицовочный силикатный кирпич – 120 мм; слой 2 – Утеплитель минеральная вата – 50 мм; слой 3 – бутовый кирпич М100 – 380 мм.2. Теплотехнический расчетСогласно климатическому районированию по СП 131.13330.2012 для г. Краснодар характерны следующие климатические показатели, таблице 1:Т а б л и ц а 1. Расчетные климатические параметры для условий строительства. Расчетные параметры внутренней среды зданий.№ п/пНаименование показателяОбозначениеЧисленное значениеЕдиница измерения1Расчетная температура наружного воздуха (по СНКК 23-302-2000)text-9оС2Средняя температура за отопительный периодtht3,0оС3Расчетная температура внутреннего воздухаtint20оС4Температура точки росыtd10,7оС5Градусо-сутки отопительного периодаDd2682оС*сут6Продолжительность отопительного периодаzht155сут7Условия эксплуатации ограждающих конструкцийАРасчет требуемых термических сопротивлений ведется согласно СП 13330.2012 «Тепловая защита зданий». Для ограждающих конструкций должно выполняться требование: R0>R0пр, где R0 – термическое сопротивление теплопередаче ограждающих конструкций, м2∙КВт.Для стен R0=2, 34 м2∙КВт полов Rп=2,46 м2∙КВт чердака Rч=2,46 м2∙КВтДалее выполняем расчет теплопотерь здания. Результаты расчета сформируем в таблицу 2:Общие теплопотери дома составили 7,409 кВт. Удельная тепловая характеристика здания q0', Втм2∙К, находится по формуле:q0'=1,1∙QV∙(tв-tн)∙α,где Q - суммарные теплопотери всего здания, Вт;V - объем здания по наружному обмеру, V=634,14 м3;tв-tн - расчетная разность температур, ℃;α - поправочный коэффициент к расчетной наружной температуре, α=1,03; 1,1 - коэффициент запаса на неучтенные потери.q0'=1,1∙7409634,14∙(18-(-9))∙1,03=0,462Отсюда определим годовой расход тепла Q, Вт:Q=q0'∙V∙tв-tср.отоп.∙3,6∙24∙n,где tср.отоп. - средняя температура за отопительный период, ℃;n – продолжительность отопительного периода, сутки.Q=0,462∙634,14∙18-3∙3,6∙24∙155=58 852Тогда расход условного топлива Vт, нм3, можно определить по формуле:Vт=QQн.утр∙η∙103,Где Qн.утр-низшая теплота сгорания топлива Qн.утр=29,3 кДжнм3;η - КПД источника, η=0,9Vт=4898129,3∙0,8∙103=2,512. Оценка работоспособности теплого пола.Рассчитаем способность теплых полов покрыть данную нагрузку с учетом того, что температура теплоносителя в теплых полах не должна превышать 45 градусов, для комфортного пребывания. Для этого, необходимо рассчитать тепловую поток при разности температур теплого пола и окружающего воздуха и сравнить с тепловыми потерями. Если тепловой поток перекрывает теплопотери, то за способ отопления может быть принят теплый пол.Для определения максимального удельного теплового потока от тёплого пола (q), можно воспользоваться, приведённой в европейском нормативе DIN EN 4725-3 для интервала температур внутреннего воздуха от18 °С до 25 °С:q=8,92∙tП-tВ1,1,Вт/м2где:tП— температура на поверхности пола, °С;tВ - температура воздуха в обслуживаемом помещении, °С.Рассчитаем тепловой поток для нашего коттеджа:q=8,92∙28-201,1=87,85,Вт/м2Тепловой поток затрачиваемый на отопление на 100 м² нашего коттеджа:Q=q∙F=87,85∙100=8785 Вт=8,785 кВтТак как общие теплопотери 7,409<8,785 кВт в качестве греющего элемента системы отопления могут быть выбраны теплые полы.Приняв температуру внутреннего воздуха +20 °С и используя данные таблицы 2, можно получить значения удельного теплового потока от тёплого пола (без краевых зон) для различных типов помещений. Т а б л и ц а 2. Максимальный удельный тепловой поток от тёплого пола№Наименование зоныУдельный тепловой поток, Вт/м2по СП 60.13330.2016по DIN EN 4725-31Постоянное пребывание людей641002Тоже, во влажных помещениях1251503Временное пребывание людей1251754То же, во влажных помещениях175175Для внутренней температуры воздуха +20 °С и высоте помещения 2,8 м требуемый удельный тепловой поток для помещений с постоянным пребыванием людей в жилых зданиях, гостиницах и общежитиях приведён в таблице 3.Т а б л и ц а 3. Требуемый удельный тепловой поток для жилых зданий, гостиниц и общежитийРасчётная зимняя температура, °СТребуемый удельный тепловой поток (Вт/м2) при количестве этажей1234, 56,78, 910,1112 и выше0,4550,4140,3720,3590,3360,3190,3010,29-1544,640,636,535,232,931,329,528,4-1645,941,737,536,233,932,230,329,2-1747,142,938,537,234,83331,230-1848,44439,638,235,833,93230,9-1949,745,240,639,236,734,832,931,7-205146,441,740,237,635,733,732,5-2152,247,542,741,238,636,634,633,3-2253,548,743,742,239,537,535,434,1-2354,849,844,843,240,538,436,234,9-2456,15145,844,241,439,337,135,7-2557,352,246,945,242,340,237,936,5-2658,653,347,946,243,341,138,837,4-2759,954,54947,244,24239,638,2-2861,255,65048,245,242,940,539-2962,456,85149,346,143,841,339,8-3063,7Б852,150,34744,742,140,6-316559,153,151,34845,64341,4-3266,260,354,252,348,946,443,842,2-3367,561,455,253,349,947,344,743-3468,862,656,254,350,848,245,543,8-ЗБ70,163,857,355,351,749,146,444,7Красным цветом выделены значения удельного теплового потока, при котором одно напольное отопление в помещениях с постоянным пребыванием людей не сможет покрыть теплопотребность. Как видим, это только одноэтажные здания в районах с расчётной зимней температурой -31 °С и ниже. В остальных случаях тёплый пол в российских климатических условиях при соблюдении нормативных требований по тепловой защите способен возместить теплопотери через ограждающие конструкции.Кроме того, при реальном проектировании должны учитываться следующие факторы:повысить средний удельный тепловой поток можно с помощью использования краевых зон с уменьшенным шагом труб или с повышенной температурой теплоносителя;планируя отопление помещений с помощью систем встроенного обогрева можно заложить в проект конструкцию ограждающих конструкций, удовлетворяющую возможностям проектной системы отопления. То есть, можно несколько увеличить сопротивление теплопередаче конструкций, тем самым снизив трансмиссионные теплопотери;сам человектоже является своеобразным «теплогенератором», развивая даже в состоянии покоя «тепловую мощность» в 80-100 Вт (в зависимости от массы тела), что добавляет к теплопоступлениям в 5-8 Вт/м2 с человека;в дополнение к тёплому полу можно использовать фрагментарное «настенное» отопление, при котором температура поверхности стены может достигать 70 °С (п.6.4.9 СП 60.13330.2016);в конце концов, пять суток в году, при которых (по статистическим данным) наблюдается расчётная зимняя температура, можно либо поступиться проветриванием, либо использовать какой-либо дополнительный источник тепла (например, тепловентилятор). Ведь в случае, когда температура наружного воздуха будет ниже расчётной, радиаторное отопление тоже не сможет обеспечить требуемую теплопотребность.Приведёнными расчётами хотелось бы поколебать бытующее заблуждение, что «севернее Ростова тёплый пол не может конкурировать с радиаторным отоплением». Может и успешно конкурирует. В скандинавских странах более 45% жилых домов отапливаются с помощью различных безрадиаторных систем лучистого обогрева.3. Оценка и сравнительная характеристика отопления теплым полом и радиаторами.В качестве способа отопления для данного дома рассматривалось 2 варианта: теплые полы и радиаторы отопленя. Рассмотрим достоинства и недостатки обеих систем:Для начала, оценим достоинства радиаторного отопления:Ремонтопригодность. Можно провести демонтаж, перенос, изменить мощность (увеличить или уменьшить количество секций), заменить на более своременные радиаторы. Малая инертность. Это позволяет в течение часа уменьшить температуру в помещении. Преимущество менее инертного прибора проявляются только при использовании автоматики. Есть много факторов, меняющих температуру в помещении, например, люди, погода или вентиляция. Для того, чтобы их использовать, необходимо быстро реагировать на изменение условий. Ведь, как уже говорилось, каждый градус выше необходимого ведет к потерям тепловой энергии около 6%. Справедливости ради, отмечу, что современные системы дифференциального регулирования способны работать с инертными устройствами, упреждая регулирующий сигнал. Это, фактически, ставит знак равенства в данном вопросе. Используется в системах непрерывного отопления. Простота установки. Даже низкоквалифицированный специалист способен установить радиаторы с приемлемым качеством, если соблюдает общие правила. Стоимость. Система отопления на радиаторах дешевле примерно два раза. Впрочем, радиаторы тоже бывают разные. Недостатки: Теплый воздух поднимается к потолку. Температура комфорта для человека определяется на высоте 1 метр от пола. А, следовательно, более половины объема комнаты разогреты избыточно, на 3-4 градуса больше нормы. И это главный недостаток радиаторов с точки зрения энергоэффективности. Но даже при этом, температура воздуха у пола может быть на 2-3 градуса меньше, что некомфортно. А с увеличением высоты потолков, разница катастрофически растет. Сильное движение воздуха (конвекция). Является причиной большей концентрации взвешенной в воздухе пыли. Само наличие радиаторов. Радиаторы занимают место, требуют открытого пространства перед собой. Кстати, согласно СНиП, радиаторы должны занимать место под окном и занимать не менее 75% окна (в детских и лечебных учреждениях). Мы еще вернемся к этому правилу. Впрочем, последний недостаток имеет много способов решения, начиная от маскировки батарей, и заканчивая установкой стильных современных панелей, способных украсить интерьер. Имеются даже радиаторы, встраиваемые в пол и стены. Рассмотрим достоинства теплых полов:Более низкий уровень температурного режима. В теплотехнике есть понятие «качества отопительной системы». Система считается более качественной, чем меньшей температурой теплоносителя достигается комфортная температура в помещении. Вернее, чем меньший перепад температур обеспечивается при обогреве. К примеру, КПД костра близок к 2%. Температура теплоносителя теплых полов примерно вдвое ниже чем необходимо для радиаторного отопления. Равномерное распределение температуры. Излучает вся поверхность пола, что обеспечивает равный нагрев всего пространства комнаты. Температура падает с увеличением высоты. Такой эффект обеспечивает комфортную температуру на требуемой высоте в 1 метр и пониженную температуру в верхнем неиспользуемом пространстве комнаты. Само по себе, это дает выигрыш в энергопотерях до 20-25%. Благодаря источнику тепла под ногами, средняя температура воздуха в комнате может быть снижена еще порядка на 2 градуса, что дает дополнительные 12% экономии тепловой энергии. Если говорить о комфортности, то такое распределение температур наиболее соответствует нормальному самочувствию. Отсутствие высоких температур в верхней части исключит чувство «духоты», а теплый поток снизу не даст замерзнуть и подогреет нижние сквозняки, если таковые случатся. Обогреватели скрыты под поверхностью пола. Однако, следует помнить, что низкая мебель или натуральные покрытия могут уменьшать эффективность теплых полов. Небольшая конвекция. Этот факт не только уменьшает количество пыли в воздухе. Прежде всего, он уменьшает теплопотери. Это происходит потому, что стоячий воздух является лучшим теплоизолятором, а основной перенос тепла внутри комнаты происходит при помощи воздушных потоков. Обогрев непрерывный или накопительный. Накопительный обогрев основан на большой инертности полов и позволяет временно отключать отопление. Для электрических теплых полов это можно использовать для экономии энергии, установив двухтарифный счетчик. Для водяных полов — это фактор надежности. При аварийном отключении система несколько часов разморожена не будет, что дает время на ликвидацию аварии. Более высокая влажность воздуха. Высокая температура теплоносителя сушит воздух, а система обогрева пола сохраняет в воздухе более высокое содержание влажности. Влажность важна для здоровья, низкая влажность практически гарантированно провоцирует заболевания ОРВИ. Тёплые полы идеально совмещаются с тепловым насосом, экологически чистым источником тепла. Монтажная схема теплового насоса + теплый пол значительно проще по сравнению с газовыми и жидкотопливными котлами, требующих дорогостоящих узлов подмеса при подаче теплоносителя в Тёплые полы. Грамотно спроектированная и установленная система «Водяной теплый пол» почти не требует технического обслуживания. Срок службы современных труб, применяемых для отопления «водяной теплый пол» составляет не менее 50 лет. Недостатки теплого пола Ограниченный выбор напольных покрытий. Не рекомендуются паласы, ковры, низкая мебель, например кровати в спальне. Дорогой монтаж. Установка теплого пола может осуществляться только квалифицированными специалистами. Дорогостоящий ремонт. Правильно установленный пол гарантированно прослужит более 50 лет. Однако, при ошибках установки, имеется вероятность поломок системы, ведущих к полному вскрытию бетонной стяжки. Необходимость применения водяного насоса. В отличие от радиаторных систем отопления, теплые полы не могут работать без прокачки теплоносителя. Теплые полы не позволяют полностью слить теплоноситель. В случаях, когда возможна разморозка системы, следует заливать антифриз. Однако, необходимо учесть, что теплоёмкость антифризов на 15-20% меньше, чем у воды, вязкость в 2-3 раза выше, объёмное расширение больше на 40-60%. Это означает, что при использовании антифризов в системе отопления потребуется увеличить на 40-50% тепловую мощность радиаторов, на 40-50% увеличить объём расширительного бака, на 60% увеличить величину напора циркуляционного насоса, изменить ряд других параметров системы отопления, в том числе и мощность котла. Благодаря низкой температуре теплоносителя это безопаснее, чем радиатороном отоплении, где при перегреве может произойти термическое разложение этиленгликоля и антикоррозионных присадок с образованием кислот и выпадением твёрдых осадков.Все радиаторы удаляются и в каждое помещение прокладываются контуры теплых полов. В целях удовлетворения санитарно - технических норм в соответствие с СП 60.13330.2012, в санузлах принимается комбинированное отопление, но т. к. убираются радиаторы, на их место ставятся полотенцесушители. Их установка обоснована целью компенсирования более высоких потерь и более высоким требованиям по температуре к данным помещениям. На каждый из этажей устанавливаются 1 коллекторный шкаф с насосом.Расчет напольного отопления проводится в 2 этапа :Целью первого этапа является определение средней температуры теплоносителя для всех помещений. На втором этапе - производится гидравлический расчет, целью которого является определение потерь давления на всех петлях и подбор соответствующего насоса. Начинают первый этап для этажа с наибольшими теплопотерями, т. к., чем больше будут потери на 1кв.м - тем больше теплоносителя потребуется. В данном случае - это 1-ий этаж Следовательно, средняя температура теплоносителя будет задаваться по помещению с полом, требующим наибольшую теплоотдачу на 1 кв.м. Определяется удельная теплоотдача теплого пола для каждого из помещений , кВт/м² :где - - теплопотери соответствующего помещения, кВт ; - площадь теплого пола соответствующего помещения, м².4. Гидравлический расчет теплого полаСмысл гидравлического расчета теплого пола заключается в определении следующих параметров :- Сколько петель должно быть проложено;- Каким образом эти петли должны быть проложены (улитка, змея);- Расход теплоносителя через петли ; - Какие будут составлять потери давления в петлях ;На основании всех этих параметров будет выбран насос.Количество петель для каждого отдельного помещения будет равно 1. В коридорах петли прокладываться не будут. На каждом этаже будут располагаться по 8 коллекторных шкафов и на каждый будет установлен насос.Воспользовавшись программой Valtec, приступаем ко второму этапу расчета теплого пола.Рисунок 2 - Работа с программным обеспечением ValtecВыбираем необходимое нам помещение, в данном случае начинаем с помещения 301. Программа автоматически выдает уже примерную величину общей длины труб, однако, это только примерное значение, т.к в зависимости от способа прокладки это значение может отличаться. Нажав на функцию добавить, мы видим следующее: Рисунок 3 - Работа с программным обеспечением Valtec1) Меню "Длина петли" , определяется в соответствие с чертежом для данного помещения (см. рисунок 10). В нашем случае она составляет 133.2) В меня "Номер коллектора" прописываем наш номер (см. рисунок 10).3) "Количество отводов" и "Количество калачей". Определяются также в соответствии с чертежом. Отвод - любой поворот на 90° , калач -на 180°. В нашем случае : количество отводов - 22, количество калачей - 22.Диаметр коллектора выбираем стандартный - 20 мм.Аксонометрическая схема теплого пола представлена на рисунке 4. Рисунок 4 - Схема раскладки теплого пола в помещения 1-его этажа Как видно из рисунка 5, во всех комнатах, кроме санузлов способ прокадки - змейка, в санузлах -улитка. Данный способ прокладки обоснован более равномерным распределением теплоты и оптимальным прогревом наружных ограждений, через которые идут наибольшие теплопотери. Участки трубы, идущий вдоль наружных стен комнат 301 и 338, необходимо утеплить с целью сохранения максимальной температуры теплоносителя, то же и с остальными участками в остальных комнатах, их также следует утеплять вдоль наружных ограждений. Нажав клавишу "Рассчитать" программа определяет тепловую нагрузку на всю петлю и потери давления в петле. В нашем случае - 2,3 кПа или 0,23 м.вод. столба . По этому параметру будет выбран насос.Выбираем насос WILO RS 25/4, где 25 - размер насоса; 4 - максимальный напор, который создает насос, м. вод. столба.Рисунок 5 - Гидравлическая характеристика насоса WILOИз данной характеристики видно, что необходимый нам напор в 2,3 кПа обеспечивает насос 25/4. Аналогично, для необходимого коллекторного шкафа рассчитываем остальные петли соответствующих ему помещений. В конце расчета получаем следующее :436880-236220Рисунок 6 - Работа с программным обеспечением ValtecВ результате расчета определены такие параметры как :- Расход теплоносителя и суммарный расход ;- Скорость теплоносителя ;- Суммарные потери давления ;- Процент открытия крана, необходимый для гидравлической балансировки всей системы в целом.Исходя из полученных данных, суммарные потери давления составляют для данного коллекторного шкафа 2,47 кПа. Насос выбран верно. Для остальных коллекторных шкафов насосы будут выбраны те же.5 Расчет и обзор различных мероприятий5.1 Внедрение теплового насосаВ качестве источника теплоты выберем тепловой насос мощностью 10 кВт с запасом, на случай, более холодной зимы.Вывод: На основании выполненного расчета тепловых потерь через ограждающие конструкции здания, определяя при этом массивность здания и расчетную температуру, толщины и состав слоев наружных стен, а так же конструкцию чердачного перекрытия, полов и оконных проемов. Выбираем тепловой насос Mammoth, модели MSR J086WH(L), теплопроизводительностью 35,3 кВт с пиковым догревом 2 кВт, предназначенный для снабжения горячей водой систем тёплых полов, радиаторных систем, обеспечение нужд горячего водоснабжения без дополнительных затрат, холодной водой для кондиционирования с рабочим хладагент - R410a, который является экологически безопасным.Тепловой насос (ТН) — устройство для переноса тепловой энергии от источника низкопотенциальной тепловой энергии к потребителю с более высокой температурой. По источникам низкопотенциального тепла тепловые насосы разделяют на: работающие от низкопотенциального тепла грунта и грунтовых вод, окружающего воздуха, рек, озер и т. д. Схема ТН изображена на рисунке 7.Рисунок 7 - Конструкция теплового насосаТепловые насосы, работающие от низкопотенциального тепла грунта и грунтовых вод бывают: с горизонтальными контурами и вертикальным (зондами).Целесообразность использования тепловых насосов в городе Краснодар определяется следующими факторами:1Площадь, занимаемая внешним контуром теплового насоса. Для устройства горизонтального геотермального поля теплового насоса, работающего от низкопотенциального тепла грунта и грунтовых вод, требуется большая площадь: от 200 м2 и больше. На всей этой площади приходится снимать грунт на 1,2-2 метра. В грунте сохраняется энергия, накопленная с лета, а слишком глубоко опустившись можно потерять значительную часть тепла. Необходимая площадь зависит от потребности в тепле и типа грунта: в одних можно забрать 30 Вт с одного метра, в других 60-75 Вт. Расстояние между двумя соседними витками трубы 1-1,5 метра.Для устройства вертикального зонда насоса того же типа роется скважина глубиной порядка нескольких десятков метров в зависимости региона и типа почвы. Так меньше всего дают песчаные почвы: 30 Вт/м, много энергии содержится в граните — до 75 Вт/м. Минимальное расстояние между скважинами не менее 8 м. 2Температура наружного воздуха. Работа теплового насоса, использующего низкопотенциальное тепло наружного воздуха сильно зависит от его температуры (окружающей среды) и от ее колебаний. Так при температуре наружного воздуха 0 °С коэффициент энергоэффективности теплонасоса падает до уровня 2-2,5, то есть на 1 кВт затраченной энергии, будет произведено 2-2,5 кВт тепла, в то время как при более высокой температуре эти теплонасосы имеют коэффициент энергоэффективности 3-4. А при падении температуры до минус 20°С коэффициент энергоэффективности падает до 1. Что приводит к повышенному потреблению элетроэнергии данной установки и нецлесообразности ее использования. Где энергоэффективность это отношение потребляемой электроэнергии к вырабатываемой тепловой.Т а б л и ц а 4 - Основные технические характеристики теплового насоса MammothПараметрЗначениеНапряжение питания (В)380/50 ГцПотребляемая мощность6,98 кВтМощность охлаждения6,4, кВтМощность нагрева10,2, кВтПроизводительность ГВС53, л/часКоэффициент преобразования СОР1,9-4,5Схема теплонасосной установки изображена на рисунке 3:Рисунок 3 - Принципиальная схема теплонасосной установкиОписание схемы:Рабочий агент R410a идет по змеевику, проложенному в реке или в земле (см. чертеж). Получая низкомпотенциальное тепло от источника, нагретые пары хладагента, направляются в компрессор, где сжимаясь, повышают своё значение температуры до 140°С. Далее, после компрессора, пары хладагента направляются в конденсатор и переохладитель, где сами охлаждаясь, отдают теплоту обратной воде, отработавшей в системе отопления. После чего нагретая вода, поступает снова в систему отопления, а пары хладагента через дроссельный вентиль направляются в испаритель, где цикл повторяется.5. 1. Построение рабочего цикла теплонасосной установки и определение её ключевых параметровПринимая конечную разность температур в испарителе равной находим температуру испарения , °С :где - температура речной воды на выходе из испарителя.Задаваясь конечной разностью температур в конденсаторе определяем температуру конденсации , °С :где - температура воды на выходе из конденсатора (контура системы отопления).Определим температуру переохлаждения , °С :Используя диаграмму lg P - I определим характеристики основных точек точка 1 : , , ;точка 2' : , , ;точка 3 : , , ;точка 4 : , , ;точка 5: (температура кипения хладагента r410a), .Процессы, изображенные на диаграмме : 1-2 - кипение в испарителе;2-3 - сжатие паров агента R410a в компрессоре;3-4 - конденсация R410a в конденсаторе;4-5 - переохлаждение в переохладителе;5-1 - дросселирование.Т а б л и ц а 5 - Параметры узловых точек цикла теплового насосаТочки12'345Р, МПа0,122,12,42,40,12t, °C3,51404533-48h, кДж/кг400550270250250По данным таблицы 1 строим рабочий процесс для данного теплового насоса: Рисунок 8- Рабочий процесс теплового насосаЭнтальпия рабочего агента на выходе из компрессора при внутреннем адиабатном КПД компрессора равном 0,8 , кДж/кг :Внутренняя работа компрессора , кДж/кг :Удельная тепловая нагрузка испарителя , кДж/кг :Удельная тепловая нагрузка конденсатора , кДж/кг :Удельная тепловая нагрузка охладителя , кДж/кг :Энергетический баланс :Массовый расход рабочего агента , кг/с :где - теплопроизводительность ТНУ, кВт.Объемная производительность компрессора , м³/ч :где - кинематическая вязкость в точке 1, м³/кг.Расчетная тепловая нагрузка испарителя , кВт :Расчетная тепловая нагрузка охладителя , кВт :Принимая электромеханический КПД компрессора определяем удельную работу компрессора , кДж/кг :Далее определяем удельный расход электроэнергии на единицу выработанной теплоты:Это означает, что на выработку 1кВт теплоты расходуется 0,43 кВт электрической энергии.Электрическая мощность компрессора будет равна , кВт :Отношение единицы произведенной тепловой энергии к затраченной электрической энергии называют коэффициентом трансформации теплового насоса, измеряют в единицах от 1 до 7, что означает что данный тепловой насос в заданном режиме на 1кВт затраченной электрической энергии вырабатывает величину равную коэффициенту трансформации  кВт тепловой энергии. COP - безразмерная единица, являющаяся важнейшей характеристикой теплового насоса. Определить теоретический коэффициент трансформации можно по следующей формулеТ.е при расходе 0,43 кВт электрической энергии, мы получаем 2,33 кВт тепловой энергии. На практике, коэффициент трансформации получается значительно выше.Для адекватного ответа на вопрос о целесообразности использования ТН следует выполнить сравнительный анализ технико-экономических характеристик различных проектов обеспечения теплом выбранного объекта, в которых используются как установки традиционной энергетики (газовые и дизельные котлы, электрические нагреватели), так и тепловые насосы.Проводимые расчеты должны учитывать момент ввода в эксплуатацию объекта, который будет обеспечиваться теплом создаваемой системы теплоснабжения. В этом случае могут быть следующие варианты:объект только еще строится; необходимо для решения проблемы обеспечения тепловой энергией или подключаться к центральной системе теплоснабжения, или создавать автономную систему теплоснабжения;объект уже построен и присоединен к системе центрального теплоснабжения; необходимо выбрать оптимальную автономную систему теплоснабжения для снижения затрат на оплату за тепловую энергию.Необходимо провести расчет срока окупаемости теплового насоса, который представляет собой период, за который масса прибыли сравняется с объемом первоначальных инвестиций. Следовательно, чтобы рассчитать срок окупаемости в простейшей форме, необходимо величину инвестиций разделить на годовой объем прибыли от реализации продукции по проекту (или годовую экономию на эксплуатационных расходах).По сроку окупаемости капиталовложений в мероприятия оценка эффективности производится на основе зависимости:τТН=КΔДε→minгде: К - капиталовложения, связанные с установкой и вводом в эксплуатацию ТН;- годовой экономический эффект (прирост дохода) от установки теплового насоса.Капиталовложения, связанные с установкой и вводом в эксплуатацию ТН, определяются по следующей формуле, руб:К=КТН+КСМ+КПР+КПН,где КТН=638273 – стоимость теплового насоса, руб;КСМ - затраты, связанные со строительно-монтажными работами и вводом в эксплуатацию ТН, руб;КСМ=0,1∙КТН=0,1∙638273=63287,3КПР – капиталовложения, связанные с проектными работами по установке ТН, руб;КПР=(0,20…0,25)∙КСМ=0,25∙63827,3=15821,83КПН – затраты, связанные с пуско-наладочными работами, руб:КПН=(0,03…0,05)∙КТН=0,05∙63827,3=31643,65 Отсюда получаем:К=638273+63287,3+15821,83+31643,65=749026,8ΔДε- экономический эффект (прирост дохода) от осуществления мероприятия:ΔДε=ΔДЭ-ΔИК-ΔИИКС-ΔИТП-ΔИПгде ΔДЭ - достигаемая экономия затрат по расходуемому энергоресурсу, руб:ΔДЭ=Q∙СТЭ=325,43∙1445=470246,35где Q - годовой расход тепла на отопление здания, Гкал;СТЭ - тариф на тепловую энергию, руб/ГкалΔИК - ежегодные отчисления на ремонт и амортизацию соответственно контактного поверхностного экономайзера, ТН, промежуточных теплообменников, транзитной тепловой сети, сетевой насосной установки, руб:ΔИК=0,05∙КТН=0,05∙638273=31643,65ΔИИКС- затраты на электроэнергию, которая необходима для привода компрессора ТН в ходе его эксплуатации, руб:ΔИИКС=N∙СЭЭ∙24∙n=6,98∙3,17∙24∙198=105145,60где N - потребляемая мощность теплового насоса (см. Табл. 1. 5), кВт;СЭЭ - тариф на электроэнергию, руб/кВт*час;n - число суток в отопительном периоде.ΔИП, ΔИТП – годовые издержки на перекачку сетевой воды и теплопотери в транзитной тепловой сети, руб:ΔИП=N∙tТН∙СЭЭ=35.3∙6∙198∙3.17=132938.40а также:ΔИТП=qН∙Q∙10-2∙CЭЭ=0.1∙325,43∙10-2∙1445=470,5где tТН - годовое число часов работы тепловго насоса, ч; qН – нормативные годовые теплопотери в сети, (10 %).Отсюда получаем:τТН=749026,8470026,35-31643,65-105145,60-132938,40-470,5=3,75Срок окупаемости составляет 3 года, 9 месяцев.Примерные сравнительные эксплуатационные характеристики различного типа отопительного оборудования представлены нижеТ а б л и ц а 6 - Сравнительные характеристики Технические характеристикиСпособ обогрева помещенияТрадиционная система отопления (ТЭЦ)Тепловой насосСтоимостьВысокаяВысокаяОтапливаемая площадь, м2410410Обеспечение тепловой энергией, кВт3636Источник тепловой энергиитопливоНизкопотенциальное теплоГодовой расход энергоресурса12633, м³6025, кВтчГодовые затраты, руб.483497105145Стоимость 1Гкал тепловой энергии, руб.1454348Минимальный срок службы20 летПожароопасность-БезопасенОбслуживаниеРегулярный осмотрПериодический осмотрАвтономность при отсутствии снабжения энергоносителямиНе обеспечиваетОбеспечивает при наличии резервного электрогенератора 2 кВтВозможность охлаждения помещенияНе обеспечиваетОбеспечиваетИсходя из полученных в таблице данных и технико - экономического обоснования видно явное преимущество использования теплового насоса по сравнению с традиционной системой отопления.Срок окупаемости теплового насоса составил - 3 года, 9 месяцев. Годовые затраты на получение теплоты с помощью теплового насоса в 4 раза меньше, чем у традиционной системы отопления, стоимость 1 Гкал теплоты также в 4 раза меньше. Годовой расход энергоресурса - в 2 раза меньше, учитывая разницу в стоимостях ресурсов, а именно топлива и электричества - разница более чем существенная. Минимальный срок службы теплового насоса 20 лет, насос выбранной нами марки по паспортным данным прорабатывает 50 лет. Тепловой насос полностью пожаро и взрыво безопасен и обладает высокой степенью надежности, не требует наличие обслуживающего персонала и нуждается только лишь в переодическом осмотре, по сравнению с традиционной системой отопления, у которой требуется регулярный осмотр. Не менее важным параметром является возможность автономного использования. Тепловой насос способен автономно вырабатывать тепловую энергию, при наличии резервного электрогенератора. Появляется возможность использовать насос в любое время года, независимо от месяца, в то время, как при традиционной системе отопления от ТЭЦ, работающей только по отопительному сезону, это является невозможным.Также при необходимости тепловой насос можно использовать для охлаждения помещения, тем самым помогая сэкономить на установке кондиционеров. 5.2 Внедрение солнечных гелиосистемСолнечный коллектор (СК) — устройство для сбора тепловой энергии Солнца (гелиоустановка), переносимой видимым светом и ближним инфракрасным излучением. В отличие от солнечных батарей, производящих непосредственно электричество, солнечный коллектор производит нагрев материала-теплоносителя. Схема работы СК изображена на рисунке 9:Рисунок 9 – Принцип работы гелиосистемы с солнечным коллектором, предназначенной для горячего водоснабжения и отопления1 – солнечный коллектор;2 – гидроаккумулятор;3 – бойлер;4 – горячая вода.Целесообразность использования солнечных коллекторов определяется следующими факторами: Определенная площадь для размещения солнечных коллекторов, необходимых для покрытия тепловой нагрузки Достаточная солнечная инсоляция для покрытия тепловых нагрузок. Так как город Краснодар находится на границе между умеренным и тропическим климатом солнечной инсоляции на его территории вполне достаточно для покрытия необходимых нагрузок. Срок окупаемости геллиоустановкиОбщие теплопотери дома составили 7,409 кВт.Необходимо установить 10 коллекторов мощностью 800 Вт. Суммарная площадь коллекторов равна 40 м2, в то время как суммарная площадь крыши равна 97,56 м2При определении срока окупаемости, необходимо рассчитать затраты на оборудование.Стоимость оборудования , руб., определяется по формуле:,где – цена за единицу оборудования, руб.; – количество установок.Стоимость строительно-монтажных работ в зависимости от расположения солнечных коллекторов в среднем составляет 10 % от стоимости оборудования. Количество затрат на оборудование , руб., определяется по формуле:,Стоимость пуско-наладочных работ – 5 % от стоимости оборудования (капиталовложения в мероприятие) , руб., определяется по формуле: ,Стоимость установки нагрева воды с использованием солнечных коллекторов , руб., определяется по формуле:,Годовые затраты на техническое обслуживание установки , руб., определяется по формуле: ,где – годовая норма амортизационных отчислений, принимается равной 20 %;0,2 – коэффициент, учитывающий зарплату рабочих; – срок эксплуатации солнечной станции (указывается в техническом паспорте), составляет в среднем 30 лет. Экономия от внедрения солнечной станции за год , руб., определяется по формуле:,где –затраты на тепловую энергию в летний период времени, руб., равные 2149309,4.Срока окупаемости мероприятия , лет, определяется по формуле:, Так как окупаемость данных установок достаточно высокая, можно сделать вывод о целесообразности использования солнечных коллекторов для использования.5.3 Внедрение ветроэнергетических установокВетрогенератор (ветроэлектрическая установка или сокращенно ВЭУ) — устройство для преобразования кинетической энергии ветрового потока в механическую энергию вращения ротора с последующим её преобразованием в электрическую энергию. Схема ветрогенератора изображена на рисунке 10:Рисунок 10 – Конструкция ветроэлектрической установки1 – ветродвигатель (ветроколесо),2 – ветроголовка,3 – генератор,4 – редуктор,5 – поворотная платформа,6 – измерительное устройство,7 – мачта ВЭУ содержит ветротурбину и электрогенератор.Целесообразность использования ветроэлектрических установок в городе Краснодар определяется следующими факторами:Работа ветрогенератора сильно зависит от скорости ветра, так при средней скорости ветра меньше 3 м/с установка их не рекомендуется согласно СП 131.13330.2012, а использование ветрогенераторов при скорости менее 4 м/с не экономично, поэтому применять ветрогенераторы в данном городе не следует из-за средней скорости ветра 2,4 м/с. Срок окупаемости ветроэлектрической установки. Для определения срока окупаемости установки необходимо рассчитать годовой расход тепла, количество ветрогенераторов и их мощность.Годовой расход тепла Q, Вт, для покрытия суточной нагрузки семиэтажного перинатального центра в городе Краснодар определяется по формуле:,где – средняя температура за отопительный период, °С; – продолжительность отопительного периода, сутки.Q=0,462∙634,14∙18-3∙3,6∙24∙155=58 852 Зависимость мощностей ВЭУ от диаметра их лопастей занесены в занесены таблицу 7Т а б л и ц а 7 – Единичные мощности ВЭУV, м/с345678d =1 м3815274263d= 2 м133161107168250d= 3 м3071137236376564d= 4 м531282454236721000d= 5 м8319638366210501570d= 6 м12028355195315132258d= 7 м162384750130020603070d= 8 м212502980169326894014d= 9 м2686351240214034035080d=10 м3317841531264642006270Часовая нагрузка для определения количества ветрогенераторов составит 147 КВт/час. Так как скорость ветра на местности, где предполагается установка, равна 2,4 м/с. Примем, что скорость ветра равна 3 для проведения экономического расчета. В этом случае исходя из таблицы 1.1 обеспечить такую нагрузку способны 440 генератора мощностью 0,331 Вт, работающим 24 часа в сутки с диаметром лопастей 10 м, при скорости 3 м/с. Структура затрат, связанных с установкой ВЭУ,, руб., рассчитывается по суммарной стоимости всех ветроустановок и определяется по формуле:,где – количество ветроустановок; N – стоимость одной ветроустановки.Затраты на приобретение оборудования, установку и введение в эксплуатацию ВЭУ, , руб., определяется по формуле:(1.11)ЗОБ=170000+0,02∙170000+0,1∙170000+0,03∙170000+0,05∙170000==204000Срок окупаемости ВЭУ представляет собой период, за который экономия платы за энергоресурсы сравнивается с объемом первоначальных инвестиций. Срок окупаемости τ, лет, определяется по формулегде ЗОБ – инвестиции для приобретения оборудования, установки, и ввода его в эксплуатацию; – годовая экономия денежных средств за счет использования ВЭУ, руб., определяется по формуле:,где – оплата энергоресурсов поставляемых учреждению сетевой компанией, – годовые затраты, включающие зарплату обслуживающего персонала, и издержки связанные с обеспечением эксплуатации оборудования с учетом амортизационных отчислений и инфляции, руб., определяется по формуле: ,Годовые затраты на оплату электроэнергии, поставляемой учреждению сетевой компанией , руб., определяется по формуле:,где – тариф на электроэнергию, , поставляемую учреждению сетевой компанией, равная 4,4; – среднее количество часов, ч, использования электроэнергии в день, равное 24.Срок окупаемости ВЭУ , лет, определяется по формуле (1.12): 3 Также мощные ветроустановки занимают достаточно большую площадь поверхности, то нет возможности для расширения территории под ВЭУ. Так как окупаемость данных установок низкая, можно сделать вывод о нецелесообразности использования ветроэлектрических установок в городе Краснодар.